ヒト骨発生機構の理解に基づく組織再生研究基盤の構築

• 研究課題/領域番号: 21H04952
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 中区分90:人間医工学およびその関連分野
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 鄭 雄一 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (30345053)
• 研究分担者: 大庭 伸介 大阪大学, 大学院歯学研究科, 教授 (20466733) ; 酒井 崇匡 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (70456151) ; 北條 宏徳 東京大学, 大学院医学系研究科(医学部), 准教授 (80788422)
• 研究期間 (年度): 2021-04-05 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2024年度)
• 配分額: 40,950千円 (直接経費: 31,500千円、間接経費: 9,450千円); 2024年度: 8,840千円 (直接経費: 6,800千円、間接経費: 2,040千円); 2023年度: 10,660千円 (直接経費: 8,200千円、間接経費: 2,460千円); 2022年度: 10,140千円 (直接経費: 7,800千円、間接経費: 2,340千円); 2021年度: 11,310千円 (直接経費: 8,700千円、間接経費: 2,610千円)
• キーワード: 骨再生 / 幹細胞 / １細胞解析 / バイオマテリアル / 一細胞解析 / hPSCs / 骨誘導 / ヒト多能性幹細胞 / ゲノム編集

研究開始時の研究の概要

これまで再生医療の基礎研究では、主に齧歯類がモデル動物として用いられてきましたが、ヒトと齧歯類の間で骨再生性シグナルに対する反応性が異なることが分かってきました。そこで本研究では、当研究室が確立したヒト多能性幹細胞の三次元骨組織誘導法を用いて、ヒト骨発生機構を解明します。ヒトとマウスの骨発生機構の比較解析をすることで、ヒト骨発生に重要なシグナル因子を明らかにします。さらに、得られたシグナル因子をバイオマテリアルと統合することで、骨再生性足場ユニットを創製し、骨再生効果を実証します。これによりヒト骨発生機構の理解に基づく新たな骨組織再生法の確立を目指します。

研究実績の概要

2023年度は、これまでに行った一細胞マルチオーム解析（Single Cell RNA-seq＋Single Cell ATAC-seq）により得られた候補因子について、機能喪失実験系を用いて、骨発生に重要な有望因子群を同定した。具体的には、ヒト間葉系幹細胞において、候補遺伝子に対するsiRNAレンチウイルスを導入し遺伝子ノックダウンを行った。RT-qPCRにより遺伝子ノックダウン効果を確認した後、Bulk RNA-seq解析による遺伝子発現解析を行った。その結果、転写因子ZEB2のノックダウンにより、ALP、IBSP、SP7などの骨芽細胞分化マーカーの発現が有意に抑制されることが明らかになった。さらに、ZEB2の骨組織における発現を組織学的に解析する目的でRNA scopeを行った。その結果、ヒト多能性幹細胞由来骨組織において、ZEB2はSP7陽性骨芽細胞に一部共局在していた。マウス胎児骨組織においても同様の結果が得られた。
次に足場材料として、本研究チームが開発中のTetra-PEGゲルを用いた検討を行った。その結果、水溶性高分子であるPEGの網目が大量の水を保持したPEGハイドロゲルにおいて、新しい相分離現象「ゲル・ゲル相分離」（Ｇｅｌ－Ｇｅｌ Ｐｈａｓｅ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ，ＧＧＰＳ）を発見した。ゲル・ゲル相分離により、希薄ゲルの中に１００マイクロメートル程度の濃厚ゲルの繊維状網目が張り巡らされ、細胞外マトリックス類似のスポンジ構造を持つ「ゲル・ゲル相分離材料」が形成されることが示唆された。さらに、ゲル・ゲル相分離材料をモデル動物の皮下に埋め込んだところ、周囲から細胞が入り込み、血管を含む脂肪組織が形成された。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

骨発生に重要な新規転写因子を同定した。さらに再生医療への応用が期待される新規ハイドロゲルの開発に成功しつつある。

今後の研究の推進方策

当初の予定通り研究を進める。新規転写因子については、そのin vivo機能解析のためノックアウトマウス解析を行う。また、新規ハイドロゲルを用いた骨再生効果の検証を進める。

研究成果

• [国際共同研究] 南カリフォルニア大学/コネティカット大学(米国)
• [雑誌論文] Injectable phase-separated tetra-armed poly(ethylene glycol) hydrogel scaffold allows sustained release of growth factors to enhance the repair of critical bone defects (2024)
  • 著者名/発表者名: Nepal Shant、Si Jinyan、Ishikawa Shohei、Nishikawa Masaki、Sakai Yasuyuki、Akimoto Aya M.、Okada Hiroyuki、Ohba Shinsuke、Chung Ung-il、Sakai Takamasa、Hojo Hironori
  • 雑誌名: Regenerative Therapy 巻: 25 ページ: 24-34
  • DOI: 10.1016/j.reth.2023.11.008
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Stem cell-based modeling and single-cell multiomics reveal gene-regulatory mechanisms underlying human skeletal development (2023)
  • 著者名/発表者名: Tani Shoichiro, Okada Hiroyuki, Onodera Shoko, Chijimatsu Ryota, Seki Masahide, Suzuki Yutaka, Xin Xiaonan, Rowe David W., Saito Taku, Tanaka Sakae, Chung Ung-il, Ohba Shinsuke, Hojo Hironori
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 42 号: 4 ページ: 112276-112276
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2023.112276
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Runt-related Transcription Factors and Gene Regulatory Mechanisms in Skeletal Development and Diseases (2023)
  • 著者名/発表者名: Hojo Hironori、Ohba Shinsuke
  • 雑誌名: Current Osteoporosis Reports 巻: 21 号: 5 ページ: 485-492
  • DOI: 10.1007/s11914-023-00808-4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Modeling of intramembranous ossification using human pluripotent stem cell-derived paraxial mesoderm derivatives. (2023)
  • 著者名/発表者名: Ikeda Y., Tani S., Moriishi T., Kuroda A., Matsuo Y., Saeki N., Inui-Yamamoto C., Abe M., Maeda T., Rowe DW., Chung UI., Hojo H., Matsushita Y., Sawase T., Ohba S.
  • 雑誌名: Regenerative Therapy 巻: 24 ページ: 536-546
  • DOI: 10.1016/j.reth.2023.09.017
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Percolation-induced gel-gel phase separation in a dilute polymer network (2023)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa Shohei、Iwanaga Yasuhide、Uneyama Takashi、Li Xiang、Hojo Hironori、Fujinaga Ikuo、Katashima Takuya、Saito Taku、Okada Yasushi、Chung Ung-il、Sakumichi Naoyuki、Sakai Takamasa
  • 雑誌名: Nature Materials 巻: 22 号: 12 ページ: 1564-1570
  • DOI: 10.1038/s41563-023-01712-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Single-cell RNA sequencing unravels heterogeneity of skeletal progenitors and cell-cell interactions underlying the bone repair process (2022)
  • 著者名/発表者名: Nakayama Mika、Okada Hiroyuki、Seki Masahide、Suzuki Yutaka、Chung Ung-il、Ohba Shinsuke、Hojo Hironori
  • 雑誌名: Regenerative Therapy 巻: 21 ページ: 9-18
  • DOI: 10.1016/j.reth.2022.05.001
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Sp7 Action in the Skeleton: Its Mode of Action, Functions, and Relevance to Skeletal Diseases (2022)
  • 著者名/発表者名: Hojo Hironori、Ohba Shinsuke
  • 雑誌名: International Journal of Molecular Sciences 巻: 23 号: 10 ページ: 5647-5647
  • DOI: 10.3390/ijms23105647
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Runx2 regulates chromatin accessibility to direct the osteoblast program at neonatal stages (2022)
  • 著者名/発表者名: Hojo Hironori, Saito Taku, He Xinjun, Guo Qiuyu, Onodera Shoko, Azuma Toshifumi, Koebis Michinori, Nakao Kazuki, Aiba Atsu, Seki Masahide, Suzuki Yutaka, Okada Hiroyuki, Tanaka Sakae, Chung Ung-il, McMahon Andrew P., Ohba Shinsuke
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 40 号: 10 ページ: 111315-111315
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2022.111315
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Orally administrable peptides derived from egg yolk promote skeletal repair and ameliorate degenerative skeletal disorders in mouse models (2022)
  • 著者名/発表者名: Kitaura Yoshiaki、Nakamura Utano、Awada Chihiro、Yamaguchi Motonori、Kim Mujo、Ikeda Yuki、Matsuo Yuki、Moriishi Takeshi、Sawase Takashi、Chung Ung-il、Hojo Hironori、Ohba Shinsuke
  • 雑誌名: Regenerative Therapy 巻: 21 ページ: 584-595
  • DOI: 10.1016/j.reth.2022.11.002
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Involvement of activator protein-1 family members in β-catenin and p300 association on the genome of PANC-1 cells (2022)
  • 著者名/発表者名: Doi Tomomitsu、Hojo Hironori、Ohba Shinsuke、Obayashi Kunie、Endo Motoyoshi、Ishizaki Toshimasa、Katoh Akira、Kouji Hiroyuki
  • 雑誌名: Heliyon 巻: 8 号: 2 ページ: e08890-e08890
  • DOI: 10.1016/j.heliyon.2022.e08890
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A neomorphic variant in SP7 alters sequence specificity and causes a high-turnover bone disorder (2022)
  • 著者名/発表者名: Lui Julian C.、Raimann Adalbert、Hojo Hironori、Dong Lijin、Roschger Paul、Kikani Bijal、Wintergerst Uwe、Fratzl-Zelman Nadja、Jee Youn Hee、Haeusler Gabriele、Baron Jeffrey
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 号: 1 ページ: 700-700
  • DOI: 10.1038/s41467-022-28318-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Star-Polymer-DNA Gels Showing Highly Predictable and Tunable Mechanical Responses (2022)
  • 著者名/発表者名: Ohira Masashi、Katashima Takuya、Naito Mitsuru、Aoki Daisuke、Yoshikawa Yusuke、Iwase Hiroki、Takata Shin‐ichi、Miyata Kanjiro、Chung Ung‐il、Sakai Takamasa、Shibayama Mitsuhiro、Li Xiang
  • 雑誌名: Advanced Materials 巻: 34 号: 13 ページ: 2108818-2108818
  • DOI: 10.1002/adma.202108818
  • 査読あり
• [雑誌論文] Control of osteocyte dendrite formation by Sp7 and its target gene osteocrin (2021)
  • 著者名/発表者名: Wang JS, Kamath T, Mazur CM, Mirzamohammadi F, Rotter D, Hojo H, Castro CD, Tokavanich N, Patel R, Govea N, Enishi T, Wu Y, da Silva Martins J, Bruce M, Brooks DJ, Bouxsein ML, Tokarz D, Lin CP, Abdul A, Macosko EZ, Fiscaletti M, Munns CF, Ryder P, Kost-Alimova M, Byrne P, Cimini B, Fujiwara M, Kronenberg HM, Wein MN.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 号: 1 ページ: 6271-6271
  • DOI: 10.1038/s41467-021-26571-7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Induction and expansion of human PRRX1+ limb-bud-like mesenchymal cells from pluripotent stem cells (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamada Daisuke、Nakamura Masahiro、Takao Tomoka、Takihira Shota、Yoshida Aki、Kawai Shunsuke、Miura Akihiro、Ming Lu、Yoshitomi Hiroyuki、Gozu Mai、Okamoto Kumi、Hojo Hironori、Kusaka Naoyuki、Iwai Ryosuke、Nakata Eiji、Ozaki Toshifumi、Toguchida Junya、Takarada Takeshi
  • 雑誌名: Nature Biomedical Engineering 巻: 5 号: 8 ページ: 926-940
  • DOI: 10.1038/s41551-021-00778-x
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mesenchymal stromal cells in the bone marrow niche consist of multi-populations with distinct transcriptional and epigenetic properties (2021)
  • 著者名/発表者名: Kanazawa Sanshiro、Okada Hiroyuki、Hojo Hironori、Ohba Shinsuke、Iwata Junichi、Komura Makoto、Hikita Atsuhiko、Hoshi Kazuto
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 11 号: 1 ページ: 15811-15811
  • DOI: 10.1038/s41598-021-94186-5
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Temperature Dependence of Polymer Network Diffusion (2021)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Fujiyabu, Takamasa Sakai, Ryota Kudo, Yuki Yoshikawa, Takuya Katashima, Ung-il Chung, Naoyuki Sakumichi
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 127 号: 23 ページ: 237801-237801
  • DOI: 10.1103/physrevlett.127.237801
  • 査読あり
• [雑誌論文] On-demand retrieval of cells three-dimensionally seeded in injectable thioester-based hydrogels (2021)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa Shohei、Kamata Hiroyuki、Chung Ung-il、Sakai Takamasa
  • 雑誌名: RSC Advances 巻: 11 号: 38 ページ: 23637-23643
  • DOI: 10.1039/d1ra01934a
  • 査読あり
• [学会発表] Modeling of skeletal development using human pluripotent stem cells and exploring the gene regulatory networks (2023)
  • 著者名/発表者名: Hironori Hojo
  • 学会等名: The Korean Society for Biotechnology and Bioengineering (KSBB) 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 運動器発のサブセルラーシーケンスで細胞生物学の常識に挑む (2023)
  • 著者名/発表者名: 岡田 寛之, 照井 悠太, 小俣 康徳, 関 真秀, 谷 彰一郎, 宮原 潤也, 真壁 健太, 寺島 明日香, 金澤 三四朗, 細沼 雅弘, 矢野 文子, 小野寺 晶子, 鍛治屋 浩, 斎藤 琢, 鈴木 穣, 岡部 幸司, Roland Baron, 田中 栄, 鄭 雄一, 北條 宏徳
  • 学会等名: 第41回 日本骨代謝学会
  • 招待講演
• [学会発表] Injectable phase-separated tetra-armed polyethylene glycol (PEG) hydrogel scaffold allows sustained release of signaling factors to enhance the repair of cranial bone defects (2023)
  • 著者名/発表者名: Shant Nepal, Jinyan Si, Shohei Ishikawa, Hiroyuki Okada, Shinsuke Ohba, Ung-il Chung, Takamasa Sakai, Hironori Hojo
  • 学会等名: ASBMR 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Exploring Gene Regulatory Networks (GRNs) in skeletal development using human Pluripotent Stem Cells (PSCs) and future perspective for clinical applications (2023)
  • 著者名/発表者名: Hironori Hojo
  • 学会等名: International Congress of Osteoporosis
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Subcellular sampling and sequencing by iSCseq connects transcriptomics with morphological, physical, and physiological findings in osteoimmunology (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Okada, Yuta Terui , Yasunori Omata, Masahide Seki , Shoichiro Tani, Junya Miyahara, Kenta Makabe, Asuka Terashima, Sanshiro Kanazawa, Masahiro Hosonuma, Shoko Onodera, Fumiko Yano, Hiroshi Kajiya, Taku Saito, Yutaka Suzuki, Koji Okabe, Roland Baron, Sakae Tanaka, Ung-il Chung, Hironori Hojo
  • 学会等名: Cold Spring Harbor Laboratory Meeting “Single Cell Analyses 2023”
  • 国際学会
• [学会発表] Elucidating gene regulatory mechanisms underlying human skeletal development using human pluripotent stem cell-derived bone tissuesand single-cell multiome analysis (2022)
  • 著者名/発表者名: Shoichiro Tani, Hiroyuki Okada, Masahide Seki, Yutaka Suzuki, Taku Saito, Sakae Tanaka, Ung-il Chung, Hironori Hojo and Shinsuke Ohba
  • 学会等名: ECTS 2022
  • 国際学会
• [学会発表] ELUCIDATING GENE REGULATORY NETWORKS UNDERLYING HUMAN SKELETAL DEVELOPMENT BY INTEGRATING SINGLE-CELL DYNAMICS OF CHROMATIN ACCESSIBILITY AND GENE EXPRESSION (2022)
  • 著者名/発表者名: Shoichiro Tani, Hiroyuki Okada, Masahide Seki, Yutaka Suzuki, Ung-il Chung, Hironori Hojo and Shinsuke Ohba
  • 学会等名: ISSCR 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Elucidating Gene Regulatory Networks Underlying Human Skeletal Development by Integrating a Model of Human Endochondral Bones and Single-cell Multiomics (2022)
  • 著者名/発表者名: Shoichiro Tani, Hiroyuki Okada, Masahide Seki, Yutaka Suzuki, Taku Saito, Sakae Tanaka, Ung-il Chung, Hironori Hojo and Shinsuke Ohba
  • 学会等名: ASBMR 2022
  • 国際学会
• [学会発表] EXPLORING HUMAN SKELETAL DEVELOPMENT USING AN INDUCED HUMAN BONE TISSUE DERIVED FROM HUMAN PLURIPOTENT STEM CELLS (2021)
  • 著者名/発表者名: Shoichiro Tani, Hiroyuki Okada, Masahide Seki, Yutaka Suzuki, Ung-il Chung, Hironori Hojo and Shinsuke Ohba
  • 学会等名: ISSCR 2021
  • 国際学会
• [学会発表] Understanding a Mechanism Underlying Bone Repair Process by Combinational Analysis of Lineage Tracing and Single-Cell RNA Sequencing (2021)
  • 著者名/発表者名: Mika Nakayama, Hiroyuki Okada, Masahide Seki, Yutaka Suzuki, Ung-il Chung, Shinsuke Ohba, Hironori Hojo
  • 学会等名: ISSCR 2021
  • 国際学会
• [学会発表] "ELUCIDATING HUMAN SKELETAL DEVELOPMENT BY INTEGRATING SINGLE-CELL ANALYSIS AND BONE TISSUE INDUCTION USING HUMAN PLURIPOTENT STEM CELLS" (2021)
  • 著者名/発表者名: Shoichiro Tani, Hiroyuki Okada, Masahide Seki, Yutaka Suzuki, Taku Saito, Sakae Tanaka, Ung-il Chung, Hironori Hojo and Shinsuke Ohba
  • 学会等名: ISSCR tokyo
• [学会発表] ヒト多能性幹細胞を用いた骨形成過程の再現と応用 (2021)
  • 著者名/発表者名: "谷 彰一郎, 岡田 寛之, 関 真秀, 鈴木 穣, 齊藤 琢, 田中 栄, 鄭 雄一, 北條 宏徳, 大庭 伸介 "
  • 学会等名: 第36回日本整形外科学会基礎学術集会
• [学会発表] ヒト多能性幹細胞由来3次元骨組織誘導法と単一細胞解析を用いたヒト骨形成機構の探索 (2021)
  • 著者名/発表者名: 谷 彰一郎, 岡田 寛之, 齊藤 琢, 田中 栄, 鄭 雄一, 北條 宏徳, 大庭 伸介
  • 学会等名: 第39回日本骨代謝学会