培養細胞上の糖鎖抗原変化と自家細胞移植における免疫応答発生機序の解明

• Project/Area Number: 19K22672
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 56:Surgery related to the biological and sensory functions and related fields
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 岩崎 倫政 北海道大学, 医学研究院, 教授 (30322803)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 照川 アラー (テルカウィ アラー) 北海道大学, 医学研究院, 助教 (00723074) ; 古川 潤一 名古屋大学, 糖鎖生命コア研究所, 特任教授 (30374193) ; 宝満 健太郎 北海道大学, 医学研究院, 博士研究員 (40823331)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2020: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2019: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
• Keywords: 免疫応答 / スフィンゴ糖脂質 / マクロファージ / 軟骨細胞 / 間葉系幹細胞 / 免疫原性 / マウス軟骨細胞 / 統合グライコーム / マウスBMSC / 糖鎖 / 継代培養 / 自家細胞移植 / 糖鎖抗原

Outline of Research at the Start

糖鎖は細胞表面のタンパク質や脂質に結合し、細胞間の免疫応答において重要な役割を担う。申請者は、継代培養により細胞上の糖鎖構造が変化 -糖鎖抗原変化- し、これにより自家細胞移植においてもドナー（提供）とホスト（宿主）細胞間に免疫応答が生じるという仮説を立てた。本研究の目的は、骨髄間葉系幹細胞（BMSCs）および軟骨細胞を用いて糖鎖工学的アプローチにより上記仮説を証明し、より効率的な自家および同種細胞による軟骨再生医療の実現に繋げることである。

Outline of Annual Research Achievements

軟骨再生医療において、自家細胞移植は広く認められた治療法の一つである。細胞源として軟骨細胞や骨髄間葉系幹細胞（BMSC）が主体であるが、いずれも細胞数を確保するために拡大培養が必要とされる。一方で、自家細胞であるにも関わらず、移植された細胞の長期生存は認められず、移植後比較的早い時期に消失する。これは細胞の免疫応答を変化させる要因が継代培養に存在していることを示唆している。我々は過去に細胞分化に伴う糖鎖変化について報告してきた。糖鎖は、細胞内外のタンパク質や脂質に付与され、情報伝達や環境変化に鋭敏に反応する分子である。継代培養により細胞糖鎖プロファイルが変化することで間葉系幹細胞や軟骨細胞の生理的、免疫学的特性が変化すると仮説を立て、研究を行った。その結果、試験管内でBMSCや軟骨細胞の継代を繰り返すと、免疫反応が変化することが確認され、繰り返し培養された細胞がマクロファージを含む免疫細胞と直接作用することが明らかとなった。さらに、継代に伴い細胞の糖脂質の糖鎖プロファイルも、培養によって変化することが確認された。ガングリオシドGD3からGD1aへの生合成経路の活性化が認められたため、GD3ノックアウト（GD3 KO）マウスを作出し、そこから単離された軟骨細胞とマクロファージとの免疫応答変化について評価を行った。GD3KO継代細胞とマクロファージの直接共培養モデルは、野生型マウスと比較してIL-6やMMP13の発現上昇が有意に抑制されていた。継代細胞に生じる免疫応答は、GD1aを抗原としてマクロファージによる免疫原性の高い標的として機能した可能性が示唆された。

Research Products

• [Journal Article] Articular cartilage corefucosylation regulates tissue resilience in osteoarthritis (2024)
  • Author(s): Homan Kentaro、Onodera Tomohiro、Hanamatsu Hisatoshi、Furukawa Jun-ichi、Momma Daisuke、Matsuoka Masatake、Iwasaki Norimasa
  • Journal Title: eLife Volume: 12
  • DOI: 10.7554/elife.92275
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Noncanonical Pyroptosis Triggered by Macrophage‐Derived Extracellular Vesicles in Chondrocytes Leading to Cartilage Catabolism in Osteoarthritis (2023)
  • Author(s): Ebata Taku、Terkawi Mohamad Alaa、Kitahara Keita、Yokota Shunichi、Shiota Junki、Nishida Yoshio、Matsumae Gen、Alhasan Hend、Hamasaki Masanari、Hontani Kazutoshi、Shimizu Tomohiro、Takahashi Daisuke、Endo Tsutomu、Onodera Tomohiro、Kadoya Ken、Iwasaki Norimasa
  • Journal Title: Arthritis & Rheumatology Volume: 75 Issue: 8 Pages: 1358-1369
  • DOI: 10.1002/art.42505
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Transcriptional profiling of murine macrophages stimulated with cartilage fragments revealed a strategy for treatment of progressive osteoarthritis (2020)
  • Author(s): Hamasaki Masanari、Terkawi Mohamad Alaa、Onodera Tomohiro、Tian Yuan、Ebata Taku、Matsumae Gen、Alhasan Hend、Takahashi Daisuke、Iwasaki Norimasa
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Issue: 1 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1038/s41598-020-64515-1
• [Journal Article] Alterations of Glycosphingolipid Glycans and Chondrogenic Markers during Differentiation of Human Induced Pluripotent Stem Cells into Chondrocytes (2020)
  • Author(s): Xu Liang、Hanamatsu Hisatoshi、Homan Kentaro、Onodera Tomohiro、Miyazaki Takuji、Furukawa Jun-ichi、Hontani Kazutoshi、Tian Yuan、Baba Rikiya、Iwasaki Norimasa
  • Journal Title: Biomolecules Volume: 10 Issue: 12 Pages: 1622-1622
  • DOI: 10.3390/biom10121622
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Immunological and glycan profiling of bone marrow stromal cells and chondrocytes after passaging for implantation in cartilage defects (2023)
  • Author(s): Alaa Terkawi, Kentaro Homan, Taku Ebata, Tomohiro Onodera, Norimasa Iwasaki.
  • Organizer: The 17th World Congress of International Chemical Reference Substances (ICRS)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Altered Glycosylation of Human Osteoarthritis Cartilage Based on Comprehensive Glycan Analysis. (2023)
  • Author(s): Kentaro Homan, Tomohiro Onodera, Hisatoshi Hanamatsu, Jun-ichi Furukawa, Jun Yamaguchi, Keizumi Matsugasaki, Yue Liu, Masatake Matsuoka, Norimasa Iwasaki.
  • Organizer: The 17th World Congress of International Chemical Reference Substances (ICRS)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] アルギン酸-細胞間架橋ゲルによる腱組織修復機序の解明 (2023)
  • Author(s): 山口純、小野寺智洋、宝満健太郎、松岡正剛、長濱宏治、上田菜摘美、澤田志穂、斎藤充、岩崎倫政．
  • Organizer: 第45回日本バイオマテリアル学会大会
• [Presentation] 骨髄由来間葉系幹細胞移植による再生医療を背景とした椎間板再生に有効な核酸ターゲットの探索． (2023)
  • Author(s): 大西貴士、宝満健太郎、須藤英毅、山田勝久、岩崎倫政．
  • Organizer: 第38回日本整形外科学会基礎学術集会
• [Presentation] Evaluation of water dynamics in articular cartilage using isotope-labeled water. (2023)
  • Author(s): Keizumi Matsugasaki, Tomohiro Onodera, Kentaro Homan, Hiroyuki Kameda,Kohsuke Kudo, Naoya Sakamoto, Yoshiaki Hosokawa, Masatake Matsuoka, RyuichiFukuda, Yuko Sakai, Yue Liu, Norimasa Iwasaki.
  • Organizer: The 70th Annual Meeting of Orthopaedic Research Society (ORS)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Depletion of Ccr7 prevents bony growth imbalance after physeal injury in mice. (2023)
  • Author(s): Masatake Matsuoka, Wooyoung Kim, Yuko Sakai, Ryuichi Fukuda, KeizumiMatsugasaki, Kentaro Homan, Tomohiro Onodera, Norimasa Iwasaki.
  • Organizer: The 70th Annual Meeting of Orthopaedic Research Society (ORS)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 変形性関節症軟骨に発現する全糖鎖の相互比較． (2023)
  • Author(s): 宝満健太郎、小野寺智洋、花松久寿、古川潤一、松ヶ崎圭純、劉越、金佑泳、松岡正剛、岩崎倫政．
  • Organizer: 第35回日本軟骨代謝学会
• [Presentation] Passaging of bone marrow stromal cells and chondrocytes instigates significant modifications in their immunological behavior: Towards successful cellular implantation for cartilage defects. (2022)
  • Author(s): Taku Ebata, Kentaro Homan, Alaa Terkawi, Tomohiro Onodera, Norimasa Iwasaki.
  • Organizer: Orthopaedic Research Society Annual Meeting ORS 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Involvement of nephroblastoma overexpressed (NOV) in development of pathological bone resorption in rheumatoid arthritis. (2022)
  • Author(s): Gen Matsumae, Mohamad Alaa Terkawi, Tomohiro Shimizu, Taku Ebata, Shunichi Yokota, Daisuke Takahashi, Norimasa Iwasaki.
  • Organizer: Orthopaedic Research Society Annual Meeting ORS 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Injectable thermosensitive hydrogel containing A2-26 peptide for local treatment of pathological bone resorption associated with inflammatory. (2022)
  • Author(s): Hend Alhasan, Alaa Terkawi, Mahmoud M. Abd Elwakil, Gen Matsumae, Taku Ebata, Yoshio Nishida, Tomohiro Shimizu, Shunichi Yokota, Daisuke Takahashi, Hideyoshi Hideyoshi, Norimasa Iwasaki.
  • Organizer: Orthopaedic Research Society Annual Meeting ORS 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cardiotrophin Like Cytokine Factor 1 (CLCF1) alleviates excessive bone loss and osteoclast differentiation through activating interferon signaling and repressing the nuclear factor-κB signaling pathway. (2022)
  • Author(s): Shunichi Yokota, Gen Matsumae, Tomohiro Shimizu, Taku Ebata, Hend Alhasan, Daisuke Takahashi, Alaa Terkawi, Norimasa Iwasaki.
  • Organizer: Orthopaedic Research Society Annual Meeting ORS 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Core-fucosylation deficiency inhibits recovery in early degenerative cartilage. (2022)
  • Author(s): Kentaro Homan, Tomohiro Onodera, Hisashi Hanamatsu, Jun-ichi Furukawa, Takuji Miyazaki, Jun Yamaguchi, Yoshiaki Hosokawa, Taku Ebata, Dawei Liang, WooYoung Kim, Masatake Matsuoka, Norimasa Iwasaki.
  • Organizer: The16th World Congress of International Chemical Reference Substances (ICRS)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Depletion of b-Series Gangliosides Ameliorate the Growth Imbalance After Growth Plate Injury. (2022)
  • Author(s): Yoshiaki Hosokawa, Masatake Matsuoka, Tomohiro Onodera, Kentaro Homan, WooYoung Kim, Norimasa Iwasaki.
  • Organizer: The16th World Congress of International Chemical Reference Substances (ICRS)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 総合グライコミクスアプローチによる変形性関節症標的分子の探索． (2022)
  • Author(s): 宝満健太郎、小野寺智洋、花松久寿、古川潤一、山口純、細川吉暁、金佑泳、松岡正剛、岩崎倫政．
  • Organizer: 第37回日本整形外科学会基礎学術集会
• [Presentation] Glycophenotype in human osteoarthritis cartilage by comprehensive glycomics analysis. (2022)
  • Author(s): Kentaro Homan, Tomohiro Onodera, Hisatoshi Hanamatsu, Jun-ichi Furukawa, Keizumi Matsugasaki, WooYoung Kim, Masatake Matsuoka, Norimasa Iwasaki.
  • Organizer: Orthopaedic Research Society Annual Meeting ORS 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Passaging Of Bone Marrow Stromal Cells And Chondrocytes Instigates Significant Modifications In Their Immunological Behavior: Towards Successful Cellular Implantation For Cartilage Defects (2022)
  • Author(s): Taku Ebata, Kentaro Homan, Alaa Terkawi, Tomohiro Onodera, Norimasa Iwasaki
  • Organizer: The 68th Annual Meeting of Orthopaedic Research Society (ORS)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 細胞特異的糖鎖解析による残存未分化iPS細胞の定量的評価法の確立 (2020)
  • Author(s): 宮崎 拓自, 花松 久寿, 小野寺 智洋, 徐 亮, 古川 潤一, 宝満 健太郎, 川嵜 敏祐, 岩崎 倫政
  • Organizer: 第 35 回 日本整形外科学会基礎学術集会
• [Presentation] ヒトiPS細胞の軟骨分化誘導過程におけるスフィンゴ糖脂質糖鎖の網羅的発現解析 (2020)
  • Author(s): 徐 亮, 花松 久寿, 宝満 健太郎, 小野寺 智洋, 古川 潤一, 本谷 和俊, 宮崎 拓自, 田 園, 岩崎 倫政
  • Organizer: 第 35 回 日本整形外科学会基礎学術集会
• [Presentation] Identification of M9 high-mannose glycan regulating hypertrophy in articular cartilage. (2020)
  • Author(s): Kentaro Homan, Tomohiro Onodera, Jun-ichi Furukawa, Masanari Hamasaki, Liang Xu, Takuji Miyazaki, Norimasa Iwasaki.
  • Organizer: The 66th Annual Meeting of Orthopaedic Research Society (ORS)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Elimination of residual iPSCs from derived chondrocytes by using a cytotoxic antibody specifically bound to iPS may reduce the risk of tumorigenicity. (2020)
  • Author(s): Takuji Miyazaki, Tomohiro Onodera, Jun-ichi Furukawa, Hisatoshi Hanamatsu, Liang Xu, Kentaro Homan, Toshisuke Kawasaki, Norimasa Iwasaki.
  • Organizer: The 66th Annual Meeting of Orthopaedic Research Society (ORS)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Blockade of macrophage surface receptors suppresses inflammatory response triggered by cartilage fragments in vitro. (2020)
  • Author(s): Masanari Hamasaki, Mohamed Alaa Terkawi, Tomohiro Onodera, Gen Matsumae, Yuan Tian, Hend Alhasan, Taku Ebata, Norimasa Iwasaki.
  • Organizer: The 66th Annual Meeting of Orthopaedic Research Society (ORS)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Glycolipid expression analysis of chondrocyte-like cells derived from human induced pluripotent stem cells (hipsc). (2020)
  • Author(s): Liang Xu, Tomohiro Onodera, Jun-ichi Furukawa, Hisatoshi Hanamatsu, Kentaro Homan, Kazutoshi Hontani, Takuji Miyazaki, Yuan Tian, Norimasa Iwasaki.
  • Organizer: The 66th Annual Meeting of Orthopaedic Research Society (ORS)
  • Int'l Joint Research