新しいモデルが骨粗鬆症の解明に光を当てる可能性

研究者らは、骨粗鬆症の原因を調査するために細胞ベースの骨モデルを開発した。

骨粗鬆症を患っている人にとって、人生は合併症に満ちています。

ほんの少しの失敗、一見無害な転倒、あるいはたった一度の誤った動きでも、 腕や脚の骨折そして、こうしたことは今後も繰り返し起こる可能性が高い。なぜなら、彼らは遺伝的欠陥を持って生まれ、骨が非常にもろくなり、身体の奇形を伴うことが多いからだ。

ほとんどの場合、骨がもろくなる原因は、I 型コラーゲン タンパク質の設計図を運ぶ遺伝子の変異です。これは、硬い骨基質を形成するために最も重要なタンパク質です。この症状を持つ人は、遺伝的欠陥によりこのコラーゲン タンパク質が正しく折りたたまれず、骨基質が不安定になり、骨がもろくなります。

脆性骨疾患の正式名称は骨形成不全症、略して OI です。

多孔質マトリックス

これまでのところ、科学者たちは、コラーゲンタンパク質の変異が骨基質の形成をいかに阻害するか、またこうした奇形をいかに治療するかについて、初歩的な理解しか持っていない。

しかし今、ETH チューリッヒのバイオメカニクス研究所の研究者グループが、これらの疑問に答える大きな一歩を踏み出しました。チームを率いるのは、生体材料工学の教授である Xiao-Hua Qin 氏で、ETH の同僚である Ralph Müller 教授と共同で取り組んでいます。

彼らは協力して、骨を研究できる3Dインビトロモデルを開発した。 形成 より詳細には、現在は健康な細胞を使用しており、将来的にはOIに罹患した人々の細胞も使用する予定です。

この新しい骨モデルは、合成ポリマーで作られた多孔質マトリックスまたは構造に基づいています。柔らかいハイドロゲルで作られたこのマトリックスでは、骨を形成する細胞（骨芽細胞）が定着し、増殖し、互いに、またその分枝と結合して、3次元ネットワークを形成します。

開発中、研究者らは理想的な孔の大きさは 5 ～ 20 マイクロメートルであることを確認しました。これは、細胞が定着して増殖できるほど広く、かつ細胞が逃げ出せないほど狭い孔の大きさです。

研究者たちはハイドロゲルを作成するにあたり、神経細胞の試験管内モデルを参考にした。

「多孔質ハイドロゲルは、ニューロンに人工ネットワークを形成するのに非常に適した環境を提供します」と秦氏は言う。しかし、骨前駆細胞は、ある点において「完全に異なる反応を示す」ことがすぐに明らかになった。骨前駆細胞も多孔質マトリックスを必要とするが、このマトリックスは生分解性でなければならないのだ。

そこで研究者らは、マトリックスメタロプロテアーゼ（MMP）酵素によって分解されるペプチド架橋剤と呼ばれるものをハイドロゲルに組み込みました。これにより、細胞はより成熟したタンパク質を生産できるようになります。 コラーゲン繊維MMP は多くの身体機能に不可欠であり、その 1 つが骨形成です。

しかし、骨細胞が正しく成長しネットワーク化できるようにするには、研究者たちはまず別の問題を解決する必要がありました。

「骨の発達や骨のリモデリングを研究するには、細胞を機械的に刺激する必要があります」と、秦氏のグループの博士課程の学生で、研究論文の筆頭著者であるドリス・ザウクナー氏は言う。

研究者らは細胞が埋め込まれたハイドロゲルをチップ上に置き、その細孔を通して液体を流した。

「この液体は細胞にせん断力をかけます」とザウクナー氏は言う。これは細胞の機能にとって重要なことだ。栄養素と化学伝達物質を運ぶ液体は、健康な骨の細孔内の細胞を機械的に刺激することもわかっている。

正常な骨の発達を模倣

研究者らが論文で述べているように、生分解性ハイドロゲル マトリックスと機械的刺激を特徴とする骨モデルは、骨の発達をうまく模倣できます。骨芽細胞は再生し、場合によっては未熟な骨細胞 (健康な骨の細胞の 90% を占める) にまで成長します。骨芽細胞はコラーゲンを分泌し、マトリックスを石化することができます。

「これは単なるモデルかもしれませんが、正常な骨の発達に非常によく似ています」とザウクナー氏は言う。

研究者たちはモデルの特許を取得したので、それを潜在的な業界パートナーに提供することを計画している。

以前の骨形成モデルと比較すると、チップ上の新しい in vitro モデルには多くの利点があります。これらの以前のモデルの孔は、細胞が動く余地がほとんどないほど狭かったり、3 次元ネットワークを形成できないほど広かったりしていました。

さらに、これらのモデルはマトリックス構造にコラーゲンを使用しているため、細胞自体がコラーゲンを生成しているかどうか、また生成しているとすればその量を調べることは不可能でした。このモデルはチップに収まるほど小さいため、研究者は患者の細胞が数個しかなくても使用できます。

動物実験の代替

これまで、OI の研究は主に動物モデルに頼ってきました。ザウクナー氏は、マウスを使ったもの、魚を使ったもの、さらには犬を使ったものなど、20 種類以上のモデルがあると指摘しています。

「動物実験には多くの制約が伴います」と彼女は言いますが、その主なものは、非常に費用がかかることです。「だからこそ、私たちはOIの試験管モデルを作成しようとしています。私たちの目標は、どのプロセスが機能不全に陥っているかを発見することを目的として、OI患者の細胞をハイドロゲルに埋め込むことです。」

ザウヒナー氏は、チューリッヒ小児病院の若いOI患者の細胞を使った最初の実験を開始する準備ができている。

OI プロジェクトは、スイスの国家研究プログラム「3R の推進」の一環です。その全体的な目的は、置き換え、削減、精製の 3R アプローチを動物実験に導入する方法を模索することです。

秦氏のグループは、骨の形成、発達、分解を司るプロセスについて、より総合的な理解を深めることを目指しています。この目的のため、グループの活動は新しいOIモデルに限定されません。別のプロジェクトでは、チームは骨の変性疾患のモデルを開発しています。 骨粗鬆症ここで焦点となるのは、最終的に分化した骨細胞である骨細胞です。

「私たちは、ヒト細胞の3次元ネットワークを使用して、骨の発達に関する試験管内モデルを構築したいと考えています」と秦氏は言う。おそらく彼のチームを除いて、まだ誰もこれを達成したことはない。「私たちが発表したばかりのモデルでは、骨芽細胞だけでなく未熟な骨細胞も発見しました。」

この研究は ネイチャーコミュニケーションズ。

出典：ニック・ウォルター チューリッヒ工科大学