マウス細胞に「群衆制御」を適用することで、科学者は組織工学に向けて進歩する

遺伝子は、細胞に多細胞構造、組織、器官を構築するように指示する唯一の推進力ではありません。に掲載された論文で ネイチャーコミュニケーションズUSC幹細胞科学者のレオナルド・モルスト氏とカリフォルニア工科大学の計算生物学者マット・トムソン氏は、もう一つの重要な発達要因である細胞密度、つまり細胞が所定の空間にどれだけ緩くまたは密に詰め込まれているかの影響を特徴づけています。

計算モデルと実験室実験の両方で、科学者チームは、マウス細胞がどのように複雑な構造を形成するかを制御するための効果的なツールとして細胞密度を使用しました。

「この論文は、合成組織を工学的に作製するという私たちの大きな目標に向けた進歩を表しています」と、USCケック医科大学の幹細胞生物学と再生医学、生物医工学の助教授であるモルスト氏は述べた。

「合成組織は、潜在的な薬剤や治療法の試験から患者への移植片や移植の提供に至るまで、無限の医療応用が可能となる可能性があります。」

この研究では、合成細胞通信システムまたは「遺伝子回路」を運ぶように設計された、結合組織細胞と幹細胞という2種類のマウス細胞を使用した。この回路は、モルスト氏が開発した「synNotch」と呼ばれるものに基づいている。これは、科学者が「センサー」として機能するように遺伝子操作して細胞に組み込むタンパク質である。

細胞の表面にあるこのタンパク質ベースのセンサーは、通常はユーザー定義の遺伝子をオンにすることによって、細胞の応答を引き起こす外部信号を認識します。

この特定の一連の実験では、科学者らは synNotch を使用して、緑色蛍光を含む回路をオンにし、信号をさらに伝播する方法を使用しました。ただし、どの遺伝子でもオンにすることができます。蛍光により、パターンを形成する細胞の観察が容易になりました。たとえば、細胞の分野では、科学者は中心点から発せられる緑色の蛍光リングのパターンを作成できます。

予期せぬ発見

これらの実験を行っている間、共同筆頭著者であり、モースト研究室の博士研究員であるマルコ・サントレリ氏は、遺伝的に同一の細胞が常に同じパターンを生成するとは限らないことに気づきました。

「異なる数の遺伝的に同一の細胞から始めれば、パターン化の異なる結果が見られるだろう」とモースト教授は語った。

「最初は不可解でした。マルコがやって来て、実験はうまくいきましたが、プレートの半分だけだったと言ったことを覚えています。そして、それをより注意深く観察すると、細胞の勾配があることがわかり始めました」密度はパターンの違いと相関しているように見えました。」

特定の細胞密度を超えると、synNotch の効果は弱まり、同じパターンは生成されませんでした。さらに問題を複雑にしているのは、細胞が常に変化する速度で増殖するにつれて細胞密度が常に変化し、synNotch遺伝子回路と複雑な方法で相互作用することです。

計算されますか?

共同筆頭著者のプラナフ S. バミディパティは、カリフォルニア大学カリフォルニア工科大学医学博士課程の候補者です。 Morsut 研究所と Thomson 研究所の両方のメンバーであったプログラムは、この複雑で動的な細胞の挙動を予測し、解明できる計算モデルの構築に興味を持ちました。

「私にとって、これは、計算モデリングによって細胞内で実際に起こっていることと同じような挙動を予測できたのは、人生で初めてのことでした」とカリフォルニア工科大学の計算生物学助教授で研究者のトムソン氏は語った。ヘリテージ医学研究所と提携。

「ここでは、細胞密度、増殖速度、シグナル伝達、およびこれらすべての異なるものがどのように共謀するかについて考えるのに役立ちました。」

Morsut 氏は、「考えられるさまざまなパターンが何であるか、またあるパターンから別のパターンに移行する方法を実際に調査して把握するための計算モデルがあったことをうれしく思いました。」と付け加えました。

計算モデルに導かれ、科学者らは細胞密度を利用して、特定の時間枠で発生するさまざまな予測可能な蛍光パターンを生成することができました。

多少濃くても大丈夫です

細胞密度がこれらの影響をどのように及ぼすかを理解するために、共同筆頭著者である Morsut Lab のポスドクである Josquin Courte は一連の実験を実施し、驚くべき発見をもたらしました。細胞密度が高くなるとストレスが誘発され、特に synNotch だけでなく、細胞表面センサー全般の破壊が早まります。

これは、細胞密度が、人工細胞と天然細胞の両方をガイドして膨大な数の構造、組織、器官を構築するために広く適用できるツールであることを意味します。

「自然は、多細胞構造、組織、器官の驚くべき多様性を生成するために、遺伝回路と組み合わせた細胞密度に依存してきました」とモルスト氏は述べた。

「現在、私たちはこれと同じ戦略を採用して、再生医療のための合成多細胞構造、そして最終的には組織や器官を構築する取り組みを進めることができます。」