ライフサイエンス
再生医療、エイジレス・ライフ

iPS細胞由来軟骨を用いた再生治療法の開発
生化学・分子生物学講座（組織生化学）

特任助教 島 伸行			
教授 妻木 範行			

https://researchmap.jp/kabe1109
https://researchmap.jp/maychan
https://researchmap.jp/cart▍ 研究の背景と結果
関節軟骨は損傷を放置すると周囲軟骨に変性を引き起こし、しばしば変形性関節症に至る。軟骨損傷に対する既存の細胞治療は、移植細胞が一過性に産生する因子がホスト組織を活性化することで修復が起きるとされており、その修復力も限定的である。そこで我々は、iPS 細胞から作製した軟骨（iPS-Cart）を損傷組織に移植することにより、移植物自身が修復組織を構成する根治的な再生治療の実現を目指している。軟骨は無血管であり軟骨細胞は豊富な細胞外基質に囲まれているため、免疫細胞が軟骨細胞に接触できず免疫特権を有すると考えられているが、その詳細な機序は不明であった。そこで、サル膝関節軟骨欠損モデルに同種 iPS-Cart を移植したところ、移植群は硝子軟骨で修復され、ホスト軟骨との癒合を認め、免疫反応を起こさなかった。
また、iPS-Cart 表層における PRG4発現の誘導により潤滑能を獲得し、少なくとも4カ月間は関節軟骨として機能していた。一方、移植しなかった群は機能性が劣る線維軟骨組織で修復された。シングルセル RNA シーケンス（scRNA-seq）解析の結果、iPS-Cart は移植後さらに軟骨様に分化し、正常関節軟骨に近似した遺伝子発現プロファイルを示した。
椎間板髄核の変性は腰痛の原因となっており椎間板再生治療が期待されている。椎間板髄核と軟骨を scRNA-seq で解析した結果、両者の遺伝子発現プロファイルは極めて類似していた。そこで、ヌードラッ
トの尾椎椎間板変性モデルに iPS-Cart を移植したところ、移植しなかった群では椎間板が変性したが、移植群では椎間板の変性が抑制された。
解放骨折や骨腫瘍の手術治療後には大きな骨欠損が生じ、難治性となる。iPS-Cart は胎児期の軟骨原基に相当する性質を持つ。そこで、スキッドマウスの大腿骨骨欠損モデルに iPS-Cart を移植したところ内軟骨性骨化を誘導し、骨欠損部に骨形成を認めた。

Safranin O

関節軟骨は自己修復能に乏しく、損傷すると自然に治癒しないため再生治療が期待されている。iPS 細胞から作製した軟骨（iPS-Cart）は、関節軟骨損傷を治療するための同種軟骨移植の有望なリソースと考えられるが、同種軟骨移植における免疫反応については不詳であった。
そこで、サル膝関節軟骨欠損モデルに同種 iPS-Cart を移植したところ、移植群は硝子軟骨で修復され、免疫反応を起こさず、正常関節軟骨に近似した遺伝子発現プロファイルを示した。また、移植後の iPS-Cart
表層には潤滑機能を担う PRG4の発現が誘導され、関節軟骨として機能していることがわかった。iPS-Cart の軟骨疾患以外への適応についても検討した結果、免疫不全ラットの椎間板変性モデルにヒト iPSCart を移植すると椎間板の変性が抑制され、免疫不全マウスの大腿骨重症骨欠損モデルへの移植により骨形成を認めた。

主要図表

iPS細胞由来軟骨移植

移植無し

PRG4

scRNA-seq

ライフサイエンス

研究の概要

Expression Level

助教 阿部 健吾			

正常軟骨UMAP_1
正常軟骨

iPS細胞由来軟骨移植後
移植前

PRG4

医学系研究科似ている

図１. サル膝関節軟骨欠損への同種軟骨移植 UMAP_1
免疫反応は惹起されず、移植物自身が生着して軟骨組織を構成した。移植をしないと欠損周辺のホスト軟骨も変性した（黒矢
図1. サル膝関節軟骨欠損への同種軟骨移植印）。移植群では周辺部の変性は起きなかった（赤矢印）。移植軟骨は正常軟骨に近似した遺伝子発現プロファイルを示し、軟骨表層では正常軟骨と同様に潤滑機能を担うPRG4の発現が誘導された。
免疫反応は惹起されず、移植物自身が生着して軟骨組織を構成した。移植をしな

いと欠損周辺のホスト軟骨も変性した（黒矢印）。移植群では周辺部の変性は起きなかった（赤矢印）。移植軟骨は正常軟骨に近似した遺伝子発現プロファイルを示し、軟骨表層では正常軟骨と同様に潤滑機能を担う PRG4の発現が誘導された。
補足図表

軟骨細胞と髄核細胞のscRNA-seq
軟骨表層細胞

脊索様髄核細胞
軟骨様髄核細胞／軟骨細胞

軟骨と髄核で共通

iPS細胞由来軟骨

組織評価

ヒトiPS細胞由来軟骨 の scRNA-seq→iPS細胞由来軟骨は、軟骨様髄核細胞/軟骨細胞と同様の遺伝子プロファイルを示した。

力学試験

図2. 髄核を摘出したヌードラットへのヒトiPS細胞由来軟骨移植による椎間板再生効果
図2. 髄核を摘出したヌードラットへのヒト
iPS 細胞由来軟骨移植による椎間板再iPS細胞由来軟骨の遺伝子発現プロファイルは軟骨様髄核細胞および軟骨細胞のそれらと類似しており、髄核切除モデルに生効果移植すると髄核を空間的および機能的に置換することが示唆された。
iPS 細胞由来軟骨の遺伝子発現プロファイルは軟骨様髄核細胞および軟骨細胞のそれらと類似しており、髄核切除モデルに移植すると髄核を空間的および機能的補足図表に置換することが示唆された。

Empty

iPS細胞由来軟骨移植後16週▍ 研究の意義と将来展望
iPS-Cart の移植が、軟骨損傷、椎間板変性、難治性骨欠損の再生治療に応用できる可能性が示唆された。現在、関節軟骨損傷患者を対象に、同種 iPSCart を軟骨損傷部に移植する臨床研究を進めており、ヒト proof of conceptの取得により、iPS-Cart の社会実装への道筋も具現化することが期待される。
特論

図3. iPSC 由来軟骨移植による骨欠損部の内軟骨性骨化
図3. iPSC由来軟骨移植による骨欠損部の内軟骨性骨化
スキッドマウスの大腿骨に作製した骨欠損部位にiPS細胞由来軟骨パーティクルを移植した。移植しなかったEmpty群では骨スキッドマウスの大腿骨に作製した骨欠損部位に iPS 細胞由来軟骨パーティク形成をほとんど認めなかったが、 移植群では内軟骨性骨化による骨形成を認めた。

ルを移植した。移植しなかった Empty 群では骨形成をほとんど認めなかったが、移植群では内軟骨性骨化による骨形成を認めた。

許 特許第6694215号、特許第6635505号
Abe, Kengo; Yamashita, Akihiro; Morioka, Miho et al. Engraftment of allogeneic iPS cell-derived cartilage organoid in a primate model ofarticular cartilage defect. Nature Communications. 2023, 14, 804. doi:10.1038/s41467-023-36408-0
Kamatani,Takashi; Hagizawa, Hiroki; Yarimitsu, Seido et al. Human iPS cell-derived cartilaginous tissue spatially and functionally replaces
文 nucleus pulposus. Biomaterials. 2022, 284, 121491. doi: 10.1016/j.biomaterials.2022.121491
Iimori, Yuki; Morioka, Miho; Koyamatsu Saeko et al. Implantation of Human-Induced Pluripotent Stem Cell-Derived Cartilage in Bone Defectsof Mice. Tissue Eng Part A. 2021, 10, 20915. doi: 10.1089/ten.TEA.2020.0346

参 考 U R L https://tissuebiochemistry.wixsite.com/website
キーワード 関節軟骨損傷、同種移植、椎間板変性、骨欠損、iPS 細胞