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Analysis of regulatory mechanisms for differentiation of human cartilage tissue

Research Project

Project/Area Number 18H02923
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 56020:Orthopedics-related
Research InstitutionOsaka University (2022)
Kyoto University (2018-2021)

Principal Investigator

妻木 範行  大阪大学, 生命機能研究科, 教授 (50303938)

Project Period (FY) 2018-04-01 – 2023-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2021: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2020: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2019: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2018: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Keywords軟骨細胞 / 関節軟骨 / 椎間板髄核 / iPS細胞 / 再生治療 / 骨格形成 / 軟骨細胞分化 / 髄核 / 椎間板 / 軟骨 / 細胞分化 / 動物モデル / 骨形成 / 骨欠損 / 内軟骨性骨化 / 分化 / ノックアウトマウス / 再生 / 代謝 / メタボローム / SIK3 / 骨系統疾患 / 疾患モデル / ゼノグラフト / 遺伝子改変マウス
Outline of Annual Research Achievements

髄核細胞は軟骨細胞様髄核細胞と脊索様髄核細胞に分けられる。我々はヒトiPS細胞から軟骨様髄核組織(hiPS-Cart)を作製した。ヌードラット尾椎椎間板から髄核摘出したモデルに対し、hiPS-Cartの移植後6ヶ月における抑制効果を検証した。【方法】ヌードラット尾椎椎間板に対して、皮膚切開し(Sham群, n=13)、髄核摘出を行い(Nuc群, n=13)、そこにhiPS-Cartを移植した(hiPS-Cart群, n=19)。術後1週にMRIでhiPS-Cartの有無を評価し、hiPS-Cart保持群と同脱転群に分類、術後6ヶ月に椎間板高(%DHI)・終板破壊の定量(bone erosion area)による画像評価、組織学的評価、椎間板の動的粘弾性評価(貯蔵弾性率、損失弾性率)を行い、各群で比較検討した。【結果】hiPS-Cart保持群はNuc群と比較して、%DHIは有意に高値、bone erosion areaは有意に低値であった。組織学的評価でhiPS-Cart保持群の椎間板内にはSafranin O染色陽性およびHuman Vimentin陽性組織が認められ、線維輪の層状構造、骨端および成長軟骨板の構造が保たれていた。hiPS-Cart保持群はNuc群との間に貯蔵弾性率で有意差を認めたが、Sham群との間には有意差を認めなかった。【考察】椎間板内に移植したhiPS-Cartは6ヶ月間生存し、椎間板高を保持しつつ、終板変性を抑制することが示された。動的粘弾性はSham群と同等の結果であり、hiPS-Cartは髄核を置換してその機能を長期的に代替することが示唆された。
また、カニクイザルと遺伝子編集技術を用いて、関節の骨軟骨欠損への同種軟骨移植におけるMHCクラスIの役割を解析し報告した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

研究の全体構想は、ヒトの運動器骨格が形成・維持される機序を分子レベルで解明することである。骨格を器官/組織としてとらえ、その制御機構を培養細胞のレベルではなく、生体の器官/組織の環境で理解することをめざす。ヒト器官/組織でのバイオロジーを知るためには、その構造と機能を誠実に再現するモデルをヒト細胞を使って作り、調べる必要がある。iPS細胞が開発されて以来、細胞リプログラミング技術を使うことで、誠実なヒト組織モデルを作ることが可能なことが示されつつある。このような目的の中で2021年度は、ヒトiPS細胞由来軟骨様髄核組織が生体の椎間板内の髄核の役割を果たし、椎間板変性を防ぐ結果を得た。また、霊長類のカニクイザルを使っての軟骨欠損モデルを導入することができた。よっておおむね順調に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

全体構想は、ヒトの運動器骨格が形成・維持される機序を分子レベルで解明することを目指すため、ヒト細胞とマウスなどの動物の実験系、およびxenograftモデル実験の結果を比較し、知見を得ることを目指す。そのために、ヒトiPS細胞由来軟骨を免疫不全動物の種々の組織に移植して、in vivoにおけるふるまいを解析することを行う。2021年度までに椎間板に移植した結果を解析したが、2022年度は導入したシングルセルRNAシークエンス解析を本格的に用いて、遺伝子発現変化を一細胞レベルで網羅的に解析し、髄核細胞及び軟骨細胞分化の制御機構を分子レベルで解明することを目指す。また、霊長類モデルを使って移植軟骨の分化機構を詳細に解析し、その知見のヒトへの外挿を試みる

Report

(4 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report

Research Products

(76 results)

All 2022 2021 2020 2019 2018 Other

All Journal Article (15 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Peer Reviewed: 12 results,  Open Access: 12 results) Presentation (49 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 14 results) Book (8 results) Remarks (3 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] Human iPS cell-derived cartilaginous tissue spatially and functionally replaces nucleus pulposus2022

    • Author(s)
      Kamatani Takashi、Hagizawa Hiroki、Yarimitsu Seido、Morioka Miho、Koyamatsu Saeko、Sugimoto Michihiko、Kodama Joe、Yamane Junko、Ishiguro Hiroyuki、Shichino Shigeyuki、Abe Kuniya、Fujibuchi Wataru、Fujie Hiromichi、Kaito Takashi、Tsumaki Noriyuki
    • Journal Title

      Biomaterials

      Volume: 284 Pages: 121491-121491

    • DOI

      10.1016/j.biomaterials.2022.121491

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Generation of monkey iPS cell-derived cartilage lacking MHC class I molecules on the cell surface2021

    • Author(s)
      Yuki Okutani, Kengo Abe, Akihiro Yamashita, Miho Morioka, Shuichi Matsuda, and Noriyuki Tsumaki
    • Journal Title

      Tissue Engineering Part A

      Volume: 28 Pages: 94-106

    • NAID

      120007184441

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Human pluripotent stem cell-derived cartilaginous organoids promote scaffold-free healing of critical size long bone defects2021

    • Author(s)
      Tam Wai Long、Freitas Mendes Luis、Chen Xike、Lesage Raphaelle、Van Hoven Inge、Leysen Elke、Kerckhofs Greet、Bosmans Kathleen、Chai Yoke Chin、Yamashita Akihiro、Tsumaki Noriyuki、Geris Liesbet、Roberts Scott J.、Luyten Frank P.
    • Journal Title

      Stem Cell Research & Therapy

      Volume: 12 Pages: 513-528

    • DOI

      10.1186/s13287-021-02580-7

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Recent progress of animal transplantation studies for treating articular cartilage damage using pluripotent stem cells2021

    • Author(s)
      A. Yamashita, N. Tsumaki
    • Journal Title

      Dev. Growth Differ.

      Volume: 63 Pages: 72-81

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Culture substrate‐associated YAP inactivation underlies chondrogenic differentiation of human induced pluripotent stem cells2021

    • Author(s)
      Yamashita Akihiro、Yoshitomi Hiroyuki、Kihara Shunsuke、Toguchida Junya、Tsumaki Noriyuki
    • Journal Title

      Stem Cells Translational Medicine

      Volume: 10 Pages: 115-127

    • DOI

      10.1002/sctm.20-0058

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  • [Journal Article] Implantation of human iPS cell-derived cartilage in bone defects of mice2021

    • Author(s)
      Iimori Yuki、Morioka Miho、Koyamatsu Saeko、Tsumaki Noriyuki
    • Journal Title

      Tissue Engineering Part A

      Volume: -

    • DOI

      10.1089/ten.tea.2020.0346

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Quality assessment tests for tumorigenicity of human iPS cell-derived cartilage2020

    • Author(s)
      Takei Yoshiaki、Morioka Miho、Yamashita Akihiro、Kobayashi Tomohito、Shima Nobuyuki、Tsumaki Noriyuki
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 10 Pages: 12794-12805

    • DOI

      10.1038/s41598-020-69641-4

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Evaluation of FGFR inhibitor ASP5878 as a drug candidate for achondroplasia2020

    • Author(s)
      Ozaki Tomonori、Kawamoto Tatsuya、Iimori Yuki、Takeshita Nobuaki、Yamagishi Yukiko、Nakamura Hiroaki、Kamohara Masazumi、Fujita Kaori、Tanahashi Masayuki、Tsumaki Noriyuki
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 10 Pages: 20915-20926

    • DOI

      10.1038/s41598-020-77345-y

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] 同種iPS細胞由来軟骨を用いた関節軟骨損傷に対する再生医療2020

    • Author(s)
      妻木範行
    • Journal Title

      週刊 医学のあゆみ

      Volume: 273巻 Pages: 1177-1181

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  • [Journal Article] 軟骨無形成症ーiPS細胞を活用して2020

    • Author(s)
      妻木範行
    • Journal Title

      臨床雑誌 整形外科

      Volume: 71 Pages: 1401-1406

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      2020 Annual Research Report
  • [Journal Article] iPS細胞を使用した創薬研究:軟骨疾患への応用2020

    • Author(s)
      妻木範行
    • Journal Title

      遺伝子医学

      Volume: 10 Pages: 87-93

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      2020 Annual Research Report
  • [Journal Article] Changes in acetyl-CoA mediate Sik3-induced maturation of chondrocytes in endochondral bone formation2019

    • Author(s)
      Azuma Kosai, Nanao Horike, Yoshiaki Takei, Akihiro Yamashita, Kaori Fujita, Takashi Kamatani, Noriyuki Tsumaki
    • Journal Title

      Biochemical and Biophysical Research Communications

      Volume: 516 Pages: 1097-1102

    • DOI

      10.1016/j.bbrc.2019.06.139

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      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Integration Capacity of Human Induced Pluripotent Stem Cell-Derived Cartilage.2019

    • Author(s)
      Chen X, Yamashita A, Morioka M, Senba T, Kamatani T, Watanabe A, Kosai A, Tsumaki N.
    • Journal Title

      Tissue Eng Part A

      Volume: 25 Pages: 0-0

    • DOI

      10.1089/ten.tea.2018.0133

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Proposal of patient-specific growth plate cartilage xenograft model for FGFR3 chondrodysplasia2018

    • Author(s)
      Kimura T, Ozaki T, Fujita K, Yamashita A, Morioka M, Ozono K, Tsumaki NTsumaki
    • Journal Title

      Osteoarthritis and Cartilage

      Volume: 26 Pages: 1551-1561

    • DOI

      10.1016/j.joca.2018.07.015

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      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Considerations in hiPSC-derived cartilage for articular cartilage repair.2018

    • Author(s)
      Yamashita A, Tamamura Y, Morioka M, Karagiannis P, Shima N, Tsumaki N
    • Journal Title

      Inflamm Regen

      Volume: 38 Pages: 0-0

    • DOI

      10.1186/s41232-018-0075-8

    • NAID

      120006937645

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  • [Presentation] 軟骨発生の基礎研究から関節軟骨損傷の再生治療開発へ2022

    • Author(s)
      妻木 範行
    • Organizer
      日本軟骨代謝学会
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  • [Presentation] 動物モデルを用いた膝関節軟骨損傷に対する同種 iPS 細胞由来軟骨移植2022

    • Author(s)
      阿部 健吾、奥谷 祐希、山下 晃弘、森岡 美帆、松田 秀一、妻木 範行
    • Organizer
      第12回 Orthopaedic Research Club
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  • [Presentation] 同種iPS細胞由来軟骨移植による関節軟骨損傷の再生2022

    • Author(s)
      妻木 範行
    • Organizer
      日本再生医療学会
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  • [Presentation] Application of iPS Cell-derived Cartilage to Regenerate Articular Cartilage Damage2021

    • Author(s)
      妻木 範行
    • Organizer
      The Chinese Society for Stem Cell and Research (CSSCR)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Application of iPS cell-derived cartilage to regenerate articular cartilage damage2021

    • Author(s)
      妻木 範行
    • Organizer
      JOSKAS/JOSSM meeting 2021 第13回日本関節鏡・膝・スポーツ整形外科学会学術集会・ 第47回日本整形外科スポーツ医学会学術集会 シンポジウム 「軟骨再生医療の evolusion」
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  • [Presentation] 軟骨発生の基礎研究から再生治療実現への挑戦2021

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      妻木 範行
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      内分泌・代謝内科学Global Meeting
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  • [Presentation] 同種iPS細胞由来軟骨移植による関節軟骨損傷の再生2021

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      妻木 範行
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      第39回日本骨代謝学会
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  • [Presentation] 軟骨無形成症の疾患モデル開発と治療薬探索2021

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      妻木 範行
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      第39回日本骨代謝学会
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  • [Presentation] iPS細胞を用いた関節軟骨損傷の再生2021

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      妻木 範行
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      第36回日本整形外科学会基礎学術集会
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  • [Presentation] 軟骨発生の基礎研究から関節軟骨損傷の再生治療開発へ2021

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      妻木 範行
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      第36回なにわリウマチフォーラム
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  • [Presentation] 軟骨発生の基礎研究から軟骨再生 治療の実現への挑戦2021

    • Author(s)
      妻木 範行
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      第10回大阪大学 健康・医療クロスイノベーションフォーラム
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  • [Presentation] Application of iPS cell-derived cartilage to regenerate articular cartilage damage.2021

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      妻木 範行
    • Organizer
      the 6th world congress of the Tissue Engineering and Regenerative Medicine International Society
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  • [Presentation] ヒトiPS細胞由来軟骨を用いた骨欠損治療2021

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      飯森由紀、妻木範行
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      第11回Orthopedic Research Club
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  • [Presentation] iPS細胞由来軟骨を用いた関節軟骨損傷治療法の開発2020

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      妻木範行
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      第93回日本整形外科学会学術総会
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  • [Presentation] 同種iPS細胞由来軟骨による関節軟骨損傷治療法の開発2020

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      妻木範行
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      第41回日本炎症・再生医学会
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  • [Presentation] 軟骨破壊機序と治療戦略2020

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      妻木範行
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      第64回日本リウマチ学会総会・学術集会
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  • [Presentation] 細胞リプログラミング技術と軟骨再生研究2020

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      妻木範行
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      第135回中部日本整形外科災害外科学会・学術集会
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  • [Presentation] ヒトiPS細胞由来軟骨による限局した関節軟骨治療法の開発2020

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      山下晃弘、妻木範行
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      第38回日本骨代謝学会学術集会
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  • [Presentation] iPS細胞由来軟骨を用いた骨欠損修復2020

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      飯森由紀、妻木範行
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  • [Presentation] 内軟骨性骨化におけるYes-associated protein(Yap)の役割の解析2020

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      尾崎友則、妻木範行
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  • [Presentation] 塩誘導性キナーゼ3(SIK3)は関節軟骨表層へのせん断力負荷により不活性化されルブリシン発現を促進する2020

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      武井義明、妻木範行
    • Organizer
      第38回日本骨代謝学会学術集会
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  • [Presentation] 軟骨の基礎研究と細胞リプログラミング技術2020

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      妻木範行
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      第35回日本整形外科学会基礎学術集会
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  • [Presentation] 同種iPS細胞由来軟骨による関節軟骨損傷再生治療法の開発2020

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      妻木範行
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      第39回日本運動器移植・再生医学研究会
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  • [Presentation] Endochondral bone formation and cell reprogramming2020

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      Noriyuki Tsumaki
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      The 8th Seoul Symposium on Bone Health(SSBH) & the 32nd Fall Scientific Congress of the Korean Society for Bone and Mineral Research(KSBMR).
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  • [Presentation] 関節軟骨損傷/破壊に対する新しい治療方法の開発研究2020

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      妻木範行
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      第11回北摂リウマチ倶楽部
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  • [Presentation] iPS細胞など再生医療について2020

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      妻木範行
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      金蘭千里高校出前授業
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  • [Presentation] 関節軟骨変性に対する治療方法の開発:iPS細胞由来軟骨による再生とSIK3阻害剤による創薬2019

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      妻木範行
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      第92回日本整形外科学会学術総会
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  • [Presentation] Application of iPS cell-derived cartilage to treatment of articular cartilage damage2019

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      Noriyuki Tsumaki
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      Global Bio Conference2019
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  • [Presentation] 軟骨リプログラミング技術と軟骨疾患治療方法の開発2019

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      妻木範行
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  • [Presentation] iPS細胞技術を用いた関節軟骨疾患の新しい治療方法開発2019

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      妻木範行
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      大阪府臨床麻酔科医会
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  • [Presentation] Application of iPS cell-derived cartilage to regenerate articular cartilage damage2019

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      Noriyuki Tsumaki
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      2019 Zhangjiang International Summit on Cell Therapy
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  • [Presentation] ヒトiPS細胞由来軟骨を用いた骨欠損治療2019

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      飯森由紀、妻木範行
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      第4回Skeletal Science Retreat
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      尾崎友則、妻木範行
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      第4回Skeletal Science Retreat
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  • [Presentation] 椎間板変性の治療方法の開発2019

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      第4回Skeletal Science Retreat
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      藤田香里、妻木範行
    • Organizer
      第42回日本分子生物学会年会
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  • [Presentation] ヒトiPS細胞由来軟骨を用いた骨欠損治療2019

    • Author(s)
      飯森由紀、妻木範行
    • Organizer
      第10回 Orthopedic Research Club
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  • [Presentation] ヒトiPS細胞由来軟骨移植後の関節軟骨様層構造形成の機序解明2019

    • Author(s)
      武井義明、妻木範行
    • Organizer
      第10回 Orthopedic Research Club
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  • [Presentation] iPS細胞を用いた再生医療と疾患モデル研究2018

    • Author(s)
      妻木範行
    • Organizer
      第39回日本炎症・再生医学会
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  • [Presentation] iPS細胞を使った骨系統疾患モデルと関節軟骨再生研究2018

    • Author(s)
      妻木範行
    • Organizer
      日本筋学会第4回学術集会
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    • Invited
  • [Presentation] Repair of focal articular cartilage defect with human iPSC-derived cartilage in a mini-pig model treated with immunosuppressor2018

    • Author(s)
      Akihiro Yamashita,Noriyuki Tsumaki
    • Organizer
      5th TERMIS World Congress - 2018 Kyoto, Japan
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Application of iPSC technology to disease modeling for chondrodysplasia2018

    • Author(s)
      Noriyuki Tsumaki
    • Organizer
      5th TERMIS World Congress - 2018 Kyoto, Japan
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 関節軟骨欠損に対するiPS細胞由来軟骨を用いた治療について2018

    • Author(s)
      小林与人、妻木範行
    • Organizer
      第33回日本整形外科学会基礎学術集会
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  • [Presentation] Application of iPS cells to regenerate articular cartilage damage and model skeletal dysplasia2018

    • Author(s)
      Noriyuki Tsumaki
    • Organizer
      The NYSCF Conference
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Integration capacity of human iPS cell-derived cartilage2018

    • Author(s)
      陳 皙可、妻木範行
    • Organizer
      第5回 ベーシックリサーチカンファレンス
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  • [Presentation] iPS細胞由来軟骨による再生医療最前線2018

    • Author(s)
      妻木範行
    • Organizer
      第23回日本基礎理学療法学会学術大会
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    • Invited
  • [Presentation] 細胞膜表面MHC class I発現を欠失したサルiPS細胞由来軟骨の作製の試み2018

    • Author(s)
      奥谷祐希、妻木範行
    • Organizer
      第32回日本軟骨代謝学会
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  • [Presentation] iPS細胞を使った関節軟骨再生と骨系統疾患モデル研究2018

    • Author(s)
      妻木範行
    • Organizer
      第32回日本軟骨代謝学会
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  • [Presentation] 整形外科領域の再生医療の現状と展望2018

    • Author(s)
      妻木範行
    • Organizer
      第18回日本再生医療学会総会
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  • [Book] ファルマシア2022

    • Author(s)
      妻木 範行
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      日本薬学会
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  • [Book] 別冊「医学のあゆみ」 再生医療はどこまで進んだか2021

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      妻木 範行
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      5
    • Publisher
      医歯薬出版株式会社
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  • [Book] 今日の整形外科治療指針2021

    • Author(s)
      妻木 範行
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    • Publisher
      医学書院
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  • [Book] 骨軟骨筋科学Update20212021

    • Author(s)
      妻木 範行
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      1
    • Publisher
      日本骨代謝学会 刊行雑誌
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  • [Book] THE BONE Vol.33 No.12019

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      妻木範行
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    • Publisher
      メディカルレビュー社
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  • [Book] 日本整形外科学会雑誌第93巻第12号2019

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      妻木範行
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    • Publisher
      公益社団法人日本整形外科学会
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  • [Book] 臨床整形外科Vol.54 No.102019

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      妻木範行
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    • Publisher
      医学書院
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  • [Book] THE BONE Vol.32 No.12018

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      妻木範行
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    • Publisher
      メディカルレビュー社
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  • [Remarks] 京都大学iPS細胞研究所 臨床応用研究部門

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      https://www.cira.kyoto-u.ac.jp/j/research/tsumaki_summary.html

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  • [Remarks] 大阪大学大学院医学系研究科 組織生化学

    • URL

      https://www.med.osaka-u.ac.jp/introduction/research/biochemistry/tissue_biochemistry

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      https://www.fbs.osaka-u.ac.jp/ja/research_group/detail/27

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  • [Patent(Industrial Property Rights)] ルブリシン局在軟骨様組織、その製造方法及びそれを含む関節軟骨損傷治療用組成物2018

    • Inventor(s)
      妻木範行
    • Industrial Property Rights Holder
      妻木範行
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2018
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Published: 2018-04-23   Modified: 2022-12-28  

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