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

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21H04952
• 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
• キーワード: 骨再生 / バイオマテリアル

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

• [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 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 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 Yuki、Tani Shoichiro、Moriishi Takeshi、Kuroda Aiko、Matsuo Yuki、Saeki Naoya、Inui-Yamamoto Chizuko、Abe Makoto、Maeda Takashi、Rowe David W.、Chung Ung-il、Hojo Hironori、Matsushita Yuki、Sawase Takashi、Ohba Shinsuke
  • 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
• [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 ページ: 1564～1570
  • DOI: 10.1038/s41563-023-01712-z
  • 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