Optimization of regeneration technique for bone and cartilage derived from iPS cells

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26293336
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 吉川 秀樹 大阪大学, 医学(系)研究科(研究院), 理事・副学長 (60191558)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 名井 陽 大阪大学, 医学部附属病院, 准教授 (10263261) ; 中田 研 大阪大学, 医学(系)研究科(研究院), 教授 (00283747) ; 中村 憲正 大阪大学, 学内共同利用施設等, 教授 (50273719) ; 梅澤 明弘 国立研究開発法人国立成育医療研究センター, その他部局等, その他 (70213486) ; 福田 寛二 近畿大学, 医学部, 教授 (50201744)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: iPS細胞 / 間葉系前駆細胞 / 骨再生

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、従来から行われている間葉系幹細胞による骨芽細胞の作製に頼らない、無限の増殖能と分化能を合わせ持つiPS細胞から間葉系前駆細胞へ分化誘導し、より多くの骨芽細胞系細胞を細胞源とする三次元組織化を目指した次世代骨・軟骨の再生療法の確立である。

本研究ではiPS細胞から間葉系前駆細胞への分化誘導を行い、培養人工骨作製技術の最適化を行った。主な内容としては、①iPS細胞由来間葉系前駆細胞への分化誘導法の最適化、②間葉系前駆細胞から作製した骨芽細胞系細胞の特性解析、③実験動物への培養人工骨移植による骨再生能および造腫瘍性の評価などである。

iPS細胞由来の間葉系前駆細胞、骨芽細胞系細胞への分化誘導法の最適化については、6種類のサイトカインと2種類の化合物の濃度と添加時期を組み合わせた基礎的検討に加え、初期の分化誘導過程に沿った二段階の低酸素培養法の併用などにより、骨芽細胞系細胞への分化誘導プロトコールの最適化を行った。iPS細胞から分化誘導し作製した骨芽細胞系細胞の特性については、骨髄由来間葉系幹細胞および頭蓋骨由来骨芽細胞に比較して増殖能、遊走能がともに高いだけでなく、著しく高いアルカリフォスファターゼ活性を有しており、分化液性因子の添加にともない基質石灰化が生じることを確認した。また、網羅的な遺伝子発現解析の結果から、HoxbおよびSemaphorin遺伝子がクラスター発現を示すことも特徴の一つであることを見出した。作製した骨芽細胞系細胞による培養人工骨を実験動物に移植した結果、移植時期が早期になる場合、あるいはサイトカイン添加が高濃度の場合には腫瘍化し易いことが判明した。このため移植時期は、分化誘導開始から少なくとも8週～12週以降にすべきであり、ActivinだけでなくBMPにおいても段階的に適切な濃度での添加が必要となることを明らかにした。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Causes of Carryover

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Expenditure Plan for Carryover Budget

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Oxygen ultra-fine bubbles water administration prevents bone loss of glucocorticoid-induced osteoporosis in mice by suppressing osteoclast differentiation (2017)
  • Author(s): Noguchi, T., Ebina, K., Hirao, M., Morimoto, T., Koizumi, K., Kitaguchi, K., Matsuoka, H., Iwahashi, T., Yoshikawa, H.
  • Journal Title: Osteoporos International Volume: 28 Pages: 1063-1075
  • DOI: 10.1007/s00198-016-3830-1
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Comparison of 2 different formulations of artificial bone for a hybrid implant with a tissue-engineered construct derived from synovial mesenchymal stem cells (2017)
  • Author(s): Shimomura, K., Moriguchi, Y., Nansai, R., Fujie, H., Ando, W., Horibe, S., Hart, D.A., Gobbi, A., Yoshikawa, H., Nakamura N.
  • Journal Title: American Journal of Sports Medicine Volume: 45 Pages: 666-675
  • DOI: 10.1177/0363546516668835
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Vibration acceleration promotes bone formation in rodent models (2017)
  • Author(s): Uchida, R., Nakata, K., Kawano, F., Yonetani, Y., Ogasawara, I., Nakai, N., Mae, T., Matsuo, T., Tachibana, Y., Yokoi, H., Yoshikawa, H.
  • Journal Title: PLoS One Volume: 12 Pages: e0172614
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0172614
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Synovial mesenchymal stem cells from osteo- or rheumatoid arthritis joints exhibit good potential for cartilage repair using a scaffold-free tissue engineering approach (2016)
  • Author(s): Koizumi, K., Ebina, K., Hart, D.A., Hirao, M., Noguchi, T., Sugita, N., Yasui, Y., Chijimatsu, R., Yoshikawa, H.,, Nakamura, N.
  • Journal Title: Osteoarthritis Cartilage Volume: 24 Pages: 1413-1422
  • DOI: 10.1016/j.joca.2016.03.006
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Preparation of scaffold-free tissue-engineered constructs derived from human synovial mesenchymal stem cells under low oxygen tension enhances their chondrogenic differentiation capacity (2016)
  • Author(s): Yasui, Y., Chijimatsu, R., Hart, D.A., Koizumi, K., Sugita, N., Shimomura, K., Myoui, A., Yoshikawa, H., Nakamura,N.
  • Journal Title: Tissue Engineering Volume: 22A Pages: 490-500
  • DOI: 10.1089/ten.tea.2015.0458
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Scaffold-free, stem cell-based cartilage repair (2016)
  • Author(s): Yasui, Y., Ando, W., Shimomura, K., Koizumi, K., Chijimatsu, R., Hamamoto, S., Kobayashi, M., Yoshikawa, H., Nakamura,N.
  • Journal Title: Journal of Clinical Orthopaedics and Trauma Volume: 7 Pages: 157-163
  • DOI: 10.1016/j.jcot.2016.06.002
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 人工骨による骨再生：過去・現在・未来 (2016)
  • Author(s): 吉川秀樹
  • Organizer: 第12回しまなみ骨・関節フォーラム
  • Place of Presentation: 松山
  • Year and Date: 2016-12-08 – 2016-12-08
  • Invited
• [Presentation] バイオマテリアルによる骨再生：過去・現在・未来 (2016)
  • Author(s): 吉川秀樹
  • Organizer: 日本バイオマテリアル学会シンポジウム2016
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場
  • Year and Date: 2016-11-21 – 2016-11-22
  • Invited
• [Presentation] 新しい骨補填材に対する期待：臨床の立場から (2016)
  • Author(s): 吉川秀樹
  • Organizer: 日本バイオマテリアル学会シンポジウム2016
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場
  • Year and Date: 2016-11-21 – 2016-11-22
  • Invited
• [Presentation] 多能性幹細胞から分化誘導した骨芽細胞系細胞は、高い骨形成能を有し、SemaphorinおよびHox遺伝子を発現する (2016)
  • Author(s): 宮本 諭、吉田 清志、吉川 秀樹、名井 陽
  • Organizer: 第34回日本骨代謝学会学術集会
  • Place of Presentation: 大阪国際会議場
  • Year and Date: 2016-07-20 – 2016-07-23
  • Invited