集団的リプログラミングとin-silico/ex-vivo統合環境によるバイオ人工肺の開発

• Project/Area Number: 22KK0132
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 55:Surgery of the organs maintaining homeostasis and related fields
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 鈴木 隆哉 東北大学, 加齢医学研究所, 助教 (80611996)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 谷口 大輔 長崎大学, 医歯薬学総合研究科(医学系), 客員研究員 (20773758) ; 鎌田 悟史 東北大学, 加齢医学研究所, 分野研究員 (40914990) ; 大石 久 東北大学, 大学病院, 講師 (60451580)
• Project Period (FY): 2022-10-07 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥20,020,000 (Direct Cost: ¥15,400,000、Indirect Cost: ¥4,620,000); Fiscal Year 2026: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2025: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2024: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2023: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2022: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000)
• Keywords: あ / ｍRNAリプログラミング / 幹細胞の多様性 / 人工臓器 / 組織工学 / 呼吸器の再生 / バイオ人工肺 / 人工幹細胞 / 呼吸器再生 / mRNAリプログラミング

Outline of Research at the Start

臓器脱細胞化・再細胞化法は同種・異種臓器の細胞を界面活性剤等により完全に取り除き（脱細胞化）、そこに幹細胞・前駆細胞を注入し定着させ（再細胞化）、還流培養を行うことにより正常な構造と細胞機能をもったバイオ人工臓器を生み出す技術である。
近年の研究成果により、細胞増殖・分化の制御、大型臓器の長期培養、大型臓器の非侵襲的機能評価が可能になっている。これらの医学・工学の学際的知見を統合することにより再生人工臓器実現の可能性がこれまでになく高まっている。本国際共同研究は、臓器再生における肺特有の諸問題を遺伝子工学・組織工学・流体力学・移植外科学の知見を統合して解決することを目標としている。

Outline of Annual Research Achievements

mRNAによる部分リプログラミングの最適化を行った。HUVECに対するリプログラミングでは４日間のトランスフェクションが最も効率が良く、再現性高く高度に増殖する細胞を得られた。部分リプログラミングによって生み出された誘導性前駆細胞HUVEC-iPLは長期にわたって継代が可能であり、かつ血管内皮マーカーであるTie-2を恒常的に発現していた。これらの細胞は分化培地へもどすと元の血管内皮細胞に近いマーカー発現パターンをみせた。しかしこの前駆細胞を分化させる段階でいくつかの困難があり停滞している。とくに細胞の接着が悪く、脱細胞化肺内で有効な自己組織化がおこらない。しかし前駆細胞化の段階で、複数の成熟細胞の特徴をもった細胞群が見出されており、これらが分化後の細胞多様性を生み出す可能性を追求している。
mRNAリプログラミングによる前駆細胞誘導法は上皮細胞においても進んでいるが、プロトコルの最適化に時間がかかっている。内皮細胞とことなり上皮細胞のりプログラミングではコロニー化の傾向があり、かなりiPS細胞に近い状態になっていると考えられた。いくつかのコロニーをピックアップしその性能を比較している。
一方でマウススケール還流型バイオリアクターの最適化は想定以上にすすんでいる。血管内皮細胞注入数の最適化についてフラクタル解析をつうじて最も効率よく血管ネットワークを創出する条件を割り出すことができた。この成果は共同研究者のトロント大学胸部外科教室とともに論文化している。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

部分リプログラミング法の最適化はほぼ終了しているが、得られた細胞の分化誘導に難渋しており、、現在の進行度としては順調にいっているが2024年度以降の進捗に若干の懸念がある。
一方でバイオリアクターの開発・最適化は予想を上回って進捗しており、今後ラットへの最適化へ道筋がついている。

Strategy for Future Research Activity

部分リプログラミングの方法論に変更がひつようかどうか、導入する因子を変更して検討する予定である。バイオリアクターについては技術的成熟を進めるとともに、上皮・内皮を共培養する方法について検討していく。

Research Products

• [Int'l Joint Research] トロント大学(カナダ)
• [Int'l Joint Research] トロント大学(カナダ)
• [Journal Article] Creation of bioengineered lung using induced lung progenitor cells (2023)
  • Author(s): Suzuki Takaya
  • Journal Title: Impact Volume: 2023 Issue: 3 Pages: 65-67
  • DOI: 10.21820/23987073.2023.3.65
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] mRNAによる集団的リプログラミングと移植可能なバイオ人工肺開発への応用 (2023)
  • Author(s): 鈴木隆哉、冨山史子、岡田克典
  • Journal Title: 月刊細胞 Volume: 55 Pages: 902-904
• [Presentation] マウス脱細胞化肺とヒト初代血管内皮細胞を用いたマウス肺血管エンジニアリング (2024)
  • Author(s): 鈴木 隆哉 冨山 史子 新井川 弘道 大石 久 渡邉 龍秋 渡辺 有為 野津田 泰嗣 小野寺 賢 東郷 威男 平間 崇 宇井 雅博 村井 翔 酒井 勁 鈴木 有容 柴田 沙織 上田 和典 野田 雅史 岡田 克典
  • Organizer: 第23回日本再生医療学会
• [Presentation] mRNAによる血管内皮多様化リプログラミングと組織再生への応用 (2024)
  • Author(s): 鈴木 隆哉 冨山 史子 新井川 弘道 大石 久 渡邉 龍秋 渡辺 有為 野津田 泰嗣 小野寺 賢 東郷 威男 平間 崇 宇井 雅博 村井 翔 酒井 勁 鈴木 有容 柴田 沙織 上田 和典 野田 雅史 岡田 克典
  • Organizer: 第23回日本再生医療学会
• [Presentation] mRNAトランスフェクションによる誘導性ヒト末梢気道上皮前駆細胞の開発とバイオ人工肺への応用 (2023)
  • Author(s): 鈴木 隆哉 冨山 史子 船橋 淳一 新井川 弘道 渡邊 龍秋 大石 久 野津田 泰嗣 小野寺 賢 村井 翔 鈴木 有容 野田 雅史 岡田 克典
  • Organizer: 第76回日本胸部外科学会定期学術集塊
• [Presentation] mRNAトランスフェクションによる誘導性ヒト血管内皮前駆細胞の作成 (2023)
  • Author(s): 冨山 史子 鈴木 隆哉 鈴木 有容 村井 翔 宇井 雅博 小野寺 賢 東郷 威男 渡邉 龍秋 渡辺 有為 野津田 泰嗣 平間 崇 大石 久 新井川 弘道 野田 雅史 岡田 克典
  • Organizer: 日本心肺移植研究会
• [Presentation] Interrupted reprogrammingによる人工的前駆細胞の作成と臓器エンジニアリングへの応用 (2023)
  • Author(s): 鈴木 隆哉 冨山 史子 新井川 弘道 大石 久 渡邉 龍秋 渡辺 有為 野津田 泰嗣 小野寺 賢 東郷 威男 平間 崇 宇井 雅博 村井 翔 酒井 勁 鈴木 有容 柴田 沙織 上田 和典 野田 雅史 岡田 克典 Waddell Thomas K.
  • Organizer: 日本心肺移植研究会
• [Presentation] mRNAトランスフェクションによる誘導性ヒト血管内皮前駆細胞の作成 (2023)
  • Author(s): 冨山史子 鈴木隆哉 鈴木有容 村井翔 宇井雅博 小野寺賢 東郷威男 渡邉龍秋 渡辺有為 野津田泰嗣 平間崇 大石久 新井川弘道 野田雅史 岡田克典
  • Organizer: 第40回日本呼吸器外科学会
• [Presentation] mRNAトランスフェクショ ンによる誘導性ヒト血管内皮前駆細胞の作成 (2023)
  • Author(s): 冨山史子, 鈴木隆哉, 鈴木有容, 村井翔, 宇井雅博, 小野寺賢, 東郷威男, 渡邉龍秋, 渡辺有 為, 野津田泰嗣, 平間崇, 大石久, 新井川 弘道, 野田雅史, 岡田克典
  • Organizer: 第39回日本肺および心肺移植研究会
• [Presentation] mRNAを用いたPartial reprogrammingで誘導し た前駆細胞様細胞による肺の再血管化 (2023)
  • Author(s): 冨山史子, 鈴木隆哉, 岡田克典
  • Organizer: 第22回日本再生医療学会総会