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特定の機能を持つ細胞への分化誘導技術の開発は、再生医療の重要な課題である。本研究では、細胞種ごとに代謝状態が異なる可能性に注目し、代謝反応速度を計測できる13C代謝フラックス解析法を用いて、分化前後の細胞の代謝状態の定量的な比較に取り組んだ。さらに、得られた結果をもとに代謝状態を調節することで、細胞の分化方向性を外的に制御できるか検討した。解析対象には好中球モデル細胞のHL-60とマクロファージモデル細胞THP-1を選んだ。まず、これらの細胞を安定的に分化させる実験条件の検討、および、これらの細胞株に13C代謝フラックス解析を適用させるための基盤技術の最適化を行った。続いて、安定同位体である13Cで標識したグルコースやグルタミンを細胞内に取り込ませる13Cトレーシング実験を実施した。当初の解析では、実験データを十分説明する解が得られず、その傾向は特に分化後の細胞で顕著であった。これは、代謝フラックスの計算に利用する代謝モデルに考慮していない反応が実際の細胞で起こっているためと考えられた。そこで、非必須アミノ酸の取り込みや、細胞構成成分の分解反応を考慮に入れて計算を行ったところ、統計的に許容できる解が得らえることが明らかとなった。さらに、実際にそのような反応が起こっていることを13C標識実験で実証し、分化細胞に代謝フラックス解析を適用するための方法論を確立することができた。分化前後の細胞の代謝状態を比較したところHL-60は分化に伴って解糖系のフラックスが低減するのに対し、THP-1は活性化しており、分化後の細胞種ごとに代謝変化の方向性が異なることが明らかとなった。分化前後で著しく活性化した反応を代謝阻害剤で抑制したところ、それぞれの細胞の分化マーカーの発現量に変化が見られ、代謝への介入によって分化度合いを制御できる可能性が示唆された。
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