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JP7201223B2 - Method for selectively inducing endoderm cells from pluripotent stem cells - Google Patents
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JP7201223B2 - Method for selectively inducing endoderm cells from pluripotent stem cells - Google Patents

Method for selectively inducing endoderm cells from pluripotent stem cells Download PDF

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Description

本願は、多能性幹細胞から特定の内胚葉系の細胞への分化に深く関与する胚体内胚葉サブタイプを選択的に誘導することによって、多能性幹細胞から前方前腸および後方前腸、および中後腸を選択的に誘導する方法に関する。本願はまた、前方前腸、後方前腸および中後腸のいずれかよりさらに所望の内胚葉系細胞を選択的に誘導する方法に関する。 By selectively inducing definitive endoderm subtypes that are intimately involved in the differentiation of pluripotent stem cells into cells of specific endodermal lineages, the present application provides an anterior and posterior foregut from pluripotent stem cells, and The present invention relates to a method for selectively inducing the middle hindgut. The present application also relates to a method for selectively inducing desired endoderm cells from any of the anterior foregut, posterior foregut and mid-hingegut.

ヒト胚性幹細胞(hESC)またはヒト人工多能性幹細胞(hiPSC)などの、ヒト多能性幹細胞(hPSC)は、膵臓、肝臓、肺および小腸などの内胚葉系臓器を構成する細胞に分化し得ることが、近年報告されている(非特許文献5-7、14、17、18、21、25、27)。これらの報告において、ヒト多能性幹細胞は、原始線条(PS)を経て胚体内胚葉細胞に誘導され、その後、各種内胚葉系細胞へと誘導される。ヒト多能性幹細胞からの胚体内胚葉細胞誘導は、2つの既知の胚体内胚葉マーカー遺伝子、SOX17およびFOXA2の発現により確認できるとされている。 Human pluripotent stem cells (hPSCs), such as human embryonic stem cells (hESCs) or human induced pluripotent stem cells (hiPSCs), differentiate into cells that make up endodermal organs such as the pancreas, liver, lung and small intestine. It has been reported in recent years to obtain In these reports, human pluripotent stem cells are induced into definitive endoderm cells via the primitive streak (PS) and then into various endoderm lineage cells. Definitive endoderm cell induction from human pluripotent stem cells is said to be confirmed by the expression of two known definitive endoderm marker genes, SOX17 and FOXA2.

脊椎動物の発生において、胚体内胚葉細胞は2つの異なる集団、前方胚体内胚葉細胞(Anterior Definitive Endoderm)および後方胚体内胚葉細胞(Posterior Definitive Endoderm)に分類されることが知られている。これらの細胞はさらに、胚の前後軸に沿ってパターン形成され、それぞれ別個の細胞へと分化されると示唆されている(非特許文献28)。 During vertebrate development, definitive endoderm cells are known to fall into two distinct populations, the Anterior Definitive Endoderm and the Posterior Definitive Endoderm. These cells are further suggested to be patterned along the anterior-posterior axis of the embryo and to differentiate into distinct cells (28).

胚体内胚葉細胞は、原始線条細胞を経て形成される(非特許文献1、20、23)。原始線条の形成は、胚体内胚葉の分化に不可欠なステップであり、原始線条の形成がなければ、胚体内胚葉の形成に欠陥が生じるとされている(非特許文献3、26)。マウス胚を用いた予定運命地図の実験から、胚体内胚葉の前駆細胞が、T-box転写因子、 Eomesodermin (Eomes)を発現する前方原始線条細胞内に認められることが示されている(非特許文献4、10、23)。前方胚体内胚葉細胞および後方胚体内胚葉細胞が、異なる発生段階の原始線条に由来することを示唆する報告がある(非特許文献13)。 Definitive endoderm cells are formed via primitive streak cells (Non-Patent Documents 1, 20, 23). The formation of the primitive streak is an essential step in the differentiation of the definitive endoderm, and without the formation of the primitive streak, the formation of the definitive endoderm is said to be defective (Non-Patent Documents 3, 26). Presumptive fate mapping experiments using mouse embryos have shown that definitive endoderm progenitors are found within anterior primitive streak cells that express the T-box transcription factor, Eomesodermin (Eomes). Patent documents 4, 10, 23). There are reports suggesting that anterior and posterior definitive endoderm cells are derived from different developmental stages of the primitive streak (13).

これまで、表1に示すような種々の方法を用いてヒト多能性幹細胞から胚体内胚葉細胞を誘導することが報告されている。 Various methods as shown in Table 1 have been used to derive definitive endoderm cells from human pluripotent stem cells.

Figure 0007201223000001
FBS:ウシ胎児血清、WNT3A:Wingless-type MMTV integration site family, member 3A、BMP:骨形成タンパク質、FGF:繊維芽細胞増殖因子、PI3K阻害剤: イノシトールリン脂質3キナーゼ阻害剤。
Figure 0007201223000001
FBS: fetal bovine serum, WNT3A: Wingless-type MMTV integration site family, member 3A, BMP: bone morphogenetic protein, FGF: fibroblast growth factor, PI3K inhibitor: inositol phospholipid 3 kinase inhibitor.

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本願は哺乳動物の多能性幹細胞から特定の内胚葉系細胞へ分化する胚体内胚葉サブタイプへ選択的に誘導する方法を提供することを目的とする。本願はまた、多能性幹細胞を各胚体内胚葉サブタイプを経て前方前腸および後方前腸、および中後腸を選択的に誘導する方法を提供することを目的とする。本願はさらに、多能性幹細胞から所望の内胚葉系細胞へ選択的に分化誘導する方法を提供することを目的とする。 An object of the present application is to provide a method for selectively inducing mammalian pluripotent stem cells into definitive endoderm subtypes that differentiate into specific endoderm cells. The present application also aims to provide a method for selectively inducing pluripotent stem cells through each definitive endoderm subtype into the anterior and posterior foregut and the mid-hingegut. A further object of the present application is to provide a method for selectively inducing the differentiation of pluripotent stem cells into desired endoderm cells.

本願は、多能性幹細胞から、前期および後期発生段階の前方原始線条細胞(Anterior Primitive Streak, APS)を分化させ、3つの異なるタイプの胚体内胚葉細胞サブポピュレーション:前方胚体内胚葉の前方ドメイン(Anterior domain of Anterior Definitive Endoderm, AADE)細胞、前方胚体内胚葉の後方ドメイン(Posterior domain of Anterior Definitive Endoderm, PADE)細胞、および後方胚体内胚葉(Posterior Definitive Endoderm, PDE)細胞へ選択的に分化させる方法を提供する。本願はさらにこれらの胚体内胚葉細胞集団からそれぞれ後方前腸(Posterior Foregut, PFG)細胞、前方前腸(Anterior Foregut, AFG)細胞ならびに中後腸(Midhindgut, MHG)細胞からなる群から選ばれる原腸(Gut Tube, GT)細胞を誘導する方法を提供する。 The present application differentiates pro- and late-stage Anterior Primitive Streak (APS) cells from pluripotent stem cells into three distinct types of definitive endoderm cell subpopulations: anterior to anterior definitive endoderm; Selectively differentiate into Anterior domain of Anterior Definitive Endoderm (AADE), Posterior domain of Anterior Definitive Endoderm (PADE), and Posterior Definitive Endoderm (PDE) cells provide a way to The present application further provides progenitors selected from the group consisting of Posterior Foregut (PFG) cells, Anterior Foregut (AFG) cells and Midhindgut (MHG) cells from these definitive endoderm cell populations, respectively. A method for inducing gut (Gut Tube, GT) cells is provided.

即ち、本願は多能性幹細胞から前方胚体内胚葉の前方ドメイン(AADE)細胞、前方胚体内胚葉の後方ドメイン(PADE)細胞、および後方胚体内胚葉(PDE)細胞からなる群から選ばれる胚体内胚葉細胞のサブポピュレーションへと選択的に誘導する方法であって、以下の工程(i)および(ii)を含む方法を提供する:
(i)多能性幹細胞をアクチビンAとGSK3β阻害剤を含む培地中で培養して、前期前方原始線条細胞または後期前方原始線条細胞を得る工程、および
(ii)得られた前期前方原始線条細胞、または後期前方原始線条細胞を、アクチビンAを含み、かつBMP阻害剤を含む、または含まない培地中で培養して、前方胚体内胚葉の前方ドメイン細胞、前方胚体内胚葉の後方ドメイン細胞または後方胚体内胚葉細胞を得る工程。
Thus, the present application provides pluripotent stem cells to definitive endoderm cells selected from the group consisting of anterior domain of anterior definitive endoderm (AADE) cells, posterior domain of anterior definitive endoderm (PADE) cells, and posterior definitive endoderm (PDE) cells. A method for selectively inducing a subpopulation of germ layer cells is provided comprising the following steps (i) and (ii):
(i) culturing the pluripotent stem cells in a medium containing activin A and a GSK3β inhibitor to obtain prophase anterior primitive streak cells or late anterior primitive streak cells, and (ii) the obtained prophase anterior primitive streak cells Striatal cells, or late anterior primitive streak cells, are cultured in medium containing activin A and with or without BMP inhibitors to form anterior domain cells of anterior definitive endoderm, posterior to anterior definitive endoderm. Obtaining domain cells or posterior definitive endoderm cells.

本願はさらに前方胚体内胚葉の前方ドメイン(AADE)細胞、前方胚体内胚葉の後方ドメイン(PADE)細胞、および後方胚体内胚葉(PDE)細胞からなる群から選ばれる胚体内胚葉細胞のサブポピュレーションを、刺激因子を含まない培地にて培養する工程を含む、前方前腸(AFG)細胞、後方前腸(PFG)細胞および中後腸(Midhindgut, MHG)細胞からなる群から選ばれる原腸(GT)細胞へと誘導する方法を提供する。 The present application further provides a subpopulation of definitive endoderm cells selected from the group consisting of anterior domain of anterior definitive endoderm (AADE) cells, posterior domain of anterior definitive endoderm (PADE) cells, and posterior definitive endoderm (PDE) cells. Gastrula selected from the group consisting of anterior foregut (AFG) cells, posterior foregut (PFG) cells and midhindgut (MHG) cells, comprising the step of culturing the gastrulation ( GT) cells.

本願は、多能性幹細胞から3つのパターンの胚体内胚葉細胞を経て前方前腸細胞および後方前腸細胞並びに中後腸細胞を誘導する方法を提供する。前方前腸は中耳、胸腺、甲状腺、気管、肺および食道へと分化され、後方前腸は胃、十二指腸、膵臓および肝臓へと分化され、中後腸細胞は小腸および大腸へと分化されることが知られている。即ち、本願の方法にてヒト多能性幹細胞から所望の細胞への分化誘導を選択的かつ確実に行うことが可能となる。 The present application provides methods for deriving anterior and posterior foregut cells and mid-heptal enterocytes from pluripotent stem cells via three patterns of definitive endoderm cells. The anterior foregut differentiates into the middle ear, thymus, thyroid, trachea, lung and esophagus, the posterior foregut into the stomach, duodenum, pancreas and liver, and the middle hindgut cells into the small and large intestine. It is known. That is, the method of the present application makes it possible to selectively and reliably induce the differentiation of human pluripotent stem cells into desired cells.

本願の方法により得られる前方前腸細胞、後方前腸細胞または中後腸細胞から、更に分化誘導して各内胚葉系の臓器を構成する細胞を得る方法もまた、本願に含まれる。 The present application also includes a method for obtaining cells constituting each endodermal organ by further inducing differentiation from anterior foregut cells, posterior foregut cells, or middle hindgut cells obtained by the method of the present application.

胚体内胚葉(DE)の分化および、DEから誘導される内胚葉系細胞の差異につながるパターン形成の、2つの仮説モデルを示す。Two hypothetical models of definitive endoderm (DE) differentiation and patterning leading to differentiation of endodermal lineage cells derived from DE are shown. ヒト人工多能性幹細胞(hiPSC)から、前方原始線条(APS)およびDEを経て、後期原腸(LGT)へ分化誘導する2つの分化方法(方法1および2)の概略図。Schematic representation of two differentiation methods (Methods 1 and 2) to induce differentiation from human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) to late gastrula (LGT) via the anterior primitive streak (APS) and DE. hiPSCセルライン585A1を2つの分化方法により、胚体内胚葉(DE)に分化させた。DEマーカーであるSOX17およびFOXA2について免疫染色を行った。3回の独立した実験の代表的な画像を示す。スケールバー、100μm。The hiPSC cell line 585A1 was differentiated into definitive endoderm (DE) by two differentiation methods. Immunostaining was performed for SOX17 and FOXA2, which are DE markers. Representative images of three independent experiments are shown. Scale bar, 100 μm. hiPSCセルライン585A1を2つの分化方法により、後期原腸(LGT)に分化させた。肝芽細胞のマーカーであるAFPについて免疫染色を行った。3回の独立した実験の代表的な画像を示す。スケールバー、100μm。The hiPSC cell line 585A1 was differentiated into late gastrulation (LGT) by two differentiation methods. Immunostaining was performed for AFP, a hepatoblast marker. Representative images of three independent experiments are shown. Scale bar, 100 μm. ヒト人工多能性幹細胞(hiPSC)から、前方原始線条(APS)、胚体内胚葉(DE)および原腸(GT)を経て後期原腸(LGT)へ分化誘導する2つの手順(方法AおよびB)の概略図。Two procedures to induce differentiation from human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) to late gastrula (LGT) via anterior primitive streak (APS), definitive endoderm (DE) and gastrulation (GT) (Method A and B) Schematic diagram. hiPSCから2つの方法で誘導された原腸(GT)段階の細胞の、HNF1β、HNF4αおよびSOX2について免疫染色を行った。またその後誘導された後期原腸(LGT)段階の細胞の、SOX2およびAFPについての免疫染色を行った。スケールバー100μm。Gastrula (GT) stage cells derived from hiPSCs by two methods were immunostained for HNF1β, HNF4α and SOX2. In addition, cells at the late gastrulation (LGT) stage induced thereafter were immunostained for SOX2 and AFP. Scale bar 100 μm. 方法Bによりヒト人工多能性幹細胞から分化誘導した場合の、各分化段階におけるSOX2 mRNA発現についてのqRT-PCR解析結果。APS:前方原始線条、AFG:前方前腸、LAFG:後期原腸の前方前腸領域。qRT-PCR analysis results for SOX2 mRNA expression at each stage of differentiation when human induced pluripotent stem cells were induced to differentiate by Method B. APS: anterior primitive streak, AFG: anterior foregut, LAFG: anterior foregut region of late gastrula. hiPSC由来後期原腸(LGT)細胞を、ALB(+)肝細胞様細胞に分化させた。スケールバー、100μm。hiPSC-derived late gastrulation (LGT) cells were differentiated into ALB(+) hepatocyte-like cells. Scale bar, 100 μm. hiPSC由来後期原腸(LGT)細胞を、NKX2.1(+)肺胞前駆細胞に分化させた。スケールバー、100μm。hiPSC-derived late gastrulation (LGT) cells were differentiated into NKX2.1(+) alveolar progenitor cells. Scale bar, 100 μm. 原始線条(PS)および2種類の胚体内胚葉(DE)の各マーカーの遺伝子発現を示すヒートマップ。Heatmap showing gene expression for each marker of the primitive streak (PS) and two types of definitive endoderm (DE). ヒト人工多能性幹細胞(hiPSC)の、後期原腸の前方前腸領域(LAFG)および後期原腸の後方前腸領域(LPFG)それぞれへの分化についての主成分分析(PCA)。Principal component analysis (PCA) for the differentiation of human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) into late gastrulation anterior foregut region (LAFG) and late gastrula posterior foregut region (LPFG), respectively. 前方胚体内胚葉の前方ドメイン(AADE)と、前方胚体内胚葉の後方ドメイン(PADE)の遺伝子発現プロファイルの違いを示すヒートマップ。APS:前方原始線条、AFG:前方前腸、PFG:後方前腸。Heat map showing differences in gene expression profiles between the anterior domain of the anterior definitive endoderm (AADE) and the posterior domain of the anterior definitive endoderm (PADE). APS: anterior primitive streak, AFG: anterior foregut, PFG: posterior foregut. BRACHYURY、EOMESおよびCDX2について、前期および後期前方原始線条(APS)細胞の免疫染色を行った。スケールバー、100μm。Immunostaining of prophase and anaphase anterior primitive streak (APS) cells was performed for BRACHYURY, EOMES and CDX2. Scale bar, 100 μm. SOX17およびFOXA2(B)について、2種類の胚体内胚葉細胞の免疫染色を行った。スケールバー、100μm。AADE:前方胚体内胚葉の前方ドメイン、PDE:後方胚体内胚葉Two types of definitive endoderm cells were immunostained for SOX17 and FOXA2 (B). Scale bar, 100 μm. AADE: anterior domain of anterior definitive endoderm, PDE: posterior definitive endoderm HNF1β、HNF4αおよびCDX2について、原腸(GT)段階細胞の免疫染色画像。スケールバー、100μm。PFG:後方前腸、MHG:中後腸Immunostaining images of gastrula (GT) stage cells for HNF1β, HNF4α and CDX2. Scale bar, 100 μm. PFG: posterior foregut, MHG: middle hindgut 様々な分化段階における、CDX2 mRNA発現のqRT-PCRによる解析結果。LAPS:後期前方原始線条、PDE:後方胚体内胚葉、MHG:中後腸、LMHG:後期原腸の中後腸領域(A)-(C)の数値は、3回の独立した実験のデータを、平均値±S.E.M.(n=3)として表す。Results of qRT-PCR analysis of CDX2 mRNA expression at various stages of differentiation. LAPS: late anterior primitive streak, PDE: posterior definitive endoderm, MHG: mid-hingegut, LMHG: mid-hingegut region (A)-(C) are data from three independent experiments. are expressed as mean±S.E.M. (n=3). hiPSCからの、3つの胚体内胚葉(DE)系列への分化手順。各段階で、細胞を特徴付けるマーカー遺伝子を各ステージの下部に示した。Differentiation procedure from hiPSCs to three definitive endoderm (DE) lineages. At each stage, marker genes that characterize the cells are indicated at the bottom of each stage. 前方胚体内胚葉の前方ドメイン(AADE)、前方胚体内胚葉の後方ドメイン(PADE)および後方胚体内胚葉(PDE)が、それぞれ後方前腸(PFG)、前方前腸(AFG)および中後腸(MHG)を生じさせる。APS:前方原始線条、GT:原腸。The anterior domain of the anterior definitive endoderm (AADE), the posterior domain of the anterior definitive endoderm (PADE) and the posterior definitive endoderm (PDE) are divided into the posterior foregut (PFG), anterior foregut (AFG) and middle hindgut (PDE), respectively. MHG). APS: anterior primitive streak, GT: gastrula.

初期胚発生に必要不可欠な、異なる誘導因子のセットを用いるいくつかの分化プロトコールが、ヒト多能性幹細胞から胚体内胚葉細胞を誘導するために提案されている(表1)。誘導された胚体内胚葉細胞の共通の特徴の1つは、分化方法にかかわらず、2つのマーカー遺伝子、SOX17およびFOXA2を発現していることである。以下に示す試験より、多能性幹細胞から胚体内胚葉への誘導方法をコントロールすることによって、前方前腸、後方前腸および中後腸細胞へとさらに分化される胚体内胚葉の3つのサブポピュレーションを選択的に誘導することを可能とした(図5A)。 Several differentiation protocols using different sets of inducers essential for early embryonic development have been proposed to derive definitive endoderm cells from human pluripotent stem cells (Table 1). One of the common features of induced definitive endoderm cells is that they express two marker genes, SOX17 and FOXA2, regardless of differentiation method. From the studies presented below, three subpopulations of definitive endoderm that can be further differentiated into anterior foregut, posterior foregut and mid-hingegut cells by controlling the method of induction from pluripotent stem cells to definitive endoderm. It was possible to selectively induce ration (Fig. 5A).

ニワトリの発生過程において、Brachyury(+)Eomes(+)細胞がHamburger Hamilton (HH)のステージ3から5の間、APSに存在することが知られている(A Chicken Embryo Gene Expression Database; http://geisha.arizona.edu/geisha(2016.03.03確認)。2つのBMPアンタゴニスト、NogginおよびChordinの原始結節(node)における発現が、HHのステージ4から認められる。それゆえ、HHステージ4以降のEomes(+)APSは、NogginおよびChordinに影響を受けていると想定した。During chicken development, Brachyury (+) Eomes (+) cells are known to reside in APS during stages 3 to 5 of Hamburger Hamilton (HH) (A Chicken Embryo Gene Expression Database; http:/ /geisha.arizona.edu/geisha ( confirmed 2016.03.03) Expression of two BMP antagonists, Noggin and Chordin, in primitive nodes from HH stage 4. Therefore, Eomes after HH stage 4 (+) APS assumed to be influenced by Noggin and Chordin.

前方原始線条から胚体内胚葉への誘導ステップにおけるBMP阻害剤を添加することにより、前方前腸には分化するが後方前腸には分化しない胚体内胚葉細胞サブポピュレーション(Posterior domain of Anterior Definitive Endoderm, PADE細胞)を誘導し、一方、BMP阻害剤が含まれなかった場合は、後方前腸に分化するDE細胞サブポピュレーション(Anterior domain of Anterior Definitive Endoderm, AADE細胞)を誘導することを確認した(図2)。従って、ヒトiPS細胞から産生されたAADEは、原始結節においてNogginおよびChordinが発現される前に形成される将来後方前腸領域となる細胞であり、一方PADEは、原始結節からNogginおよびChordinの影響下で形成される将来前方前腸領域となる細胞である。ヒトiPS細胞由来の後方胚体内胚葉(Posterior Definitive Endoderm、PDE)は、後期APSから誘導され、中後腸細胞へと分化する(図5B)。 Addition of a BMP inhibitor in the anterior primitive streak to definitive endoderm induction step resulted in a subpopulation of definitive endoderm cells that differentiated into the anterior foregut but not the posterior foregut (Posterior domain of anterior definitive endoderm). On the other hand, when BMP inhibitor was not included, it was confirmed that DE cell subpopulation (Anterior domain of Anterior Definitive Endoderm, AADE cells) that differentiated into the posterior foregut was induced. (Fig. 2). Therefore, AADE produced from human iPS cells is a cell that will become the future posterior foregut region formed before the expression of Noggin and Chordin in the primitive nodule, whereas PADE is the cell that is formed from the primitive nodule to the influence of Noggin and Chordin. It is the cells that will become the future anterior foregut region formed below. Human iPS cell-derived posterior definitive endoderm (PDE) is induced from late APS and differentiates into middle hindgut cells (Fig. 5B).

本願明細書および請求の範囲において多能性幹細胞とは、生体に存在する全ての細胞に分化可能である多能性を有し、かつ、増殖能をも併せもつ幹細胞であり、それには、例えば胚性幹(ES)細胞(J.A. Thomson et al. (1998), Science 282:1145-1147; J.A. Thomson et al. (1995), Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 92:7844-7848;J.A. Thomson et al. (1996), Biol. Reprod., 55:254-259; J.A. Thomson and V.S. Marshall (1998), Curr. Top. Dev. Biol., 38:133-165)、核移植により得られるクローン胚由来の胚性幹(ntES)細胞(T. Wakayama et al. (2001), Science, 292:740-743; S. Wakayama et al. (2005), Biol. Reprod., 72:932-936; J. Byrne et al. (2007), Nature, 450:497-502)、精子幹細胞(「GS細胞」)(M. Kanatsu-Shinohara et al. (2003) Biol. Reprod., 69:612-616; K. Shinohara et al. (2004), Cell, 119:1001-1012)、胚性生殖細胞(「EG細胞」)(Y. Matsui et al. (1992), Cell, 70:841-847; J.L. Resnick et al. (1992), Nature, 359:550-551)、人工多能性幹(iPS)細胞(K. Takahashi and S. Yamanaka (2006) Cell, 126:663-676; K. Takahashi et al. (2007), Cell, 131:861-872; J. Yu et al. (2007), Science, 318:1917-1920; Nakagawa, M.ら,Nat. Biotechnol. 26:101-106 (2008);WO2007/069666)、培養線維芽細胞や骨髄幹細胞由来の多能性細胞(Muse細胞)(WO2011/007900)などが含まれる。本願においてはヒト多能性幹細胞が用いられる。 In the specification and claims of the present application, pluripotent stem cells are stem cells that have pluripotency capable of differentiating into all cells existing in a living body and that also have proliferative potential. Embryonic stem (ES) cells (J.A. Thomson et al. (1998), Science 282:1145-1147; J.A. Thomson et al. (1995), Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 92:7844-7848; J.A. Thomson et al. (1996), Biol. Reprod., 55:254-259; J.A. Thomson and V.S. Marshall (1998), Curr. Top. Dev. Biol., 38:133-165), clones obtained by nuclear transfer Embryonic stem (ntES) cells derived from embryos (T. Wakayama et al. (2001), Science, 292:740-743; S. Wakayama et al. (2005), Biol. Reprod., 72:932-936; J. Byrne et al. (2007), Nature, 450:497-502), spermatogonial stem cells (“GS cells”) (M. Kanatsu-Shinohara et al. (2003) Biol. Reprod., 69:612-616; K. Shinohara et al. (2004), Cell, 119:1001-1012), embryonic germ cells ("EG cells") (Y. Matsui et al. (1992), Cell, 70:841-847; J.L. Resnick et al. (1992), Nature, 359:550-551), induced pluripotent stem (iPS) cells (K. Takahashi and S. Yamanaka (2006) Cell, 126:663-676; K. Takahashi et al. (2007), Cell, 131:861-872; J. Yu et al. (2007), Science, 318:1917-1920; Nakagawa, M. et al., Nat. Biotechnol. /069666), pluripotent cells derived from cultured fibroblasts and bone marrow stem cells (Muse cells) (WO2011/007900). Human pluripotent stem cells are used in the present application.

本願の方法において用いられる多能性幹細胞は、任意の方法で実質的に分離(または解離)することで単一細胞の状態として培養してもよく、または、細胞同士が接着した細胞凝集塊の状態で培養してもよい。より好ましくは、単一細胞の状態に分離して培養する。分離の方法としては、例えば、力学的分離や、プロテアーゼ活性とコラゲナーゼ活性を有する分離溶液(例えば、トリプシンとコラゲナーゼの含有溶液Accutase(TM)およびAccumax(TM)(Innovative Cell Technologies, Inc)が挙げられる)またはコラゲナーゼ活性のみを有する分離溶液を用いた分離が挙げられる。多能性幹細胞は、コーティング処理された培養皿を用いて接着培養することができる。 The pluripotent stem cells used in the method of the present application may be cultured as single cells by substantially separating (or dissociating) by any method, or may be cultured as cell aggregates in which cells are adhered to each other. It can be cultured under conditions. More preferably, it is separated into single cells and cultured. Methods of separation include, for example, mechanical separation and separation solutions having protease activity and collagenase activity (e.g., solutions containing trypsin and collagenase Accutase (TM) and Accumax (TM) (Innovative Cell Technologies, Inc)). ) or separation using a separation solution that has only collagenase activity. Pluripotent stem cells can be adherently cultured using coated culture dishes.

本願の方法の各工程において、培養温度は、以下に限定されないが、約30~40℃、好ましくは約37℃であり、CO2含有空気の雰囲気下で培養が行われ、CO2濃度は、好ましくは約2~5%である。In each step of the method of the present application, the culture temperature is, but is not limited to, about 30 to 40°C, preferably about 37°C, culture is performed in an atmosphere of air containing CO2 , and the CO2 concentration is Preferably about 2-5%.

本願の工程(i)は、多能性幹細胞をアクチビンA、およびGSK3阻害剤を含む培地で培養する工程である。
工程(i)で使用される培地は、動物細胞の培養に用いられる基礎培地へアクチビンAを適宜添加して調製することができる。基礎培地としては、例えば、MEM Zinc Option培地、IMEM Zinc Option培地、IMDM培地、Medium 199培地、Eagle's Minimum Essential Medium(EMEM)培地、αMEM培地、Dulbecco's modified Eagle's Medium(DMEM)培地、Ham's F12培地、RPMI 1640培地、Fischer's培地、およびこれらの混合培地などが包含される。基礎培地には、血清(例えば、ウシ胎児血清(FBS))が含有されていてもよいし、または無血清でもよい。必要に応じて、例えば、アルブミン、トランスフェリン、KnockOut Serum Replacement(KSR)(ES細胞培養時の血清代替物)(Thermo Fisher Scientific)、N2サプリメント(Thermo Fisher Scientific)、B27サプリメント(Thermo Fisher Scientific)、脂肪酸、インスリン、コラーゲン前駆体、微量元素、2-メルカプトエタノール、3’-チオールグリセロールなどの1つ以上の血清代替物を含んでもよいし、脂質、アミノ酸、L-グルタミン、GlutaMAX(Thermo Fisher Scientific)、非必須アミノ酸(NEAA)、ビタミン、増殖因子、抗生物質、抗酸化剤、ピルビン酸、緩衝剤、無機塩類、およびこれらの同等物などの1つ以上の物質、あるいはその他の通常動物培養用培地に添加される1つ以上の物質を含有しうる。1つの実施形態において、基礎培地は、B27サプリメントとウシ胎児血清を含むRPMI 1640培地である。
Step (i) of the present application is a step of culturing pluripotent stem cells in a medium containing activin A and a GSK3 inhibitor.
The medium used in step (i) can be prepared by appropriately adding activin A to the basal medium used for culturing animal cells. Examples of basal media include MEM Zinc Option medium, IMEM Zinc Option medium, IMDM medium, Medium 199 medium, Eagle's Minimum Essential Medium (EMEM) medium, αMEM medium, Dulbecco's modified Eagle's Medium (DMEM) medium, Ham's F12 medium, and RPMI. 1640 medium, Fischer's medium, mixed medium of these and the like are included. The basal medium may contain serum (eg, fetal bovine serum (FBS)) or may be serum-free. If necessary, e.g. albumin, transferrin, KnockOut Serum Replacement (KSR) (serum replacement for ES cell culture) (Thermo Fisher Scientific), N2 supplement (Thermo Fisher Scientific), B27 supplement (Thermo Fisher Scientific), fatty acids , insulin, collagen precursors, trace elements, 2-mercaptoethanol, 3'-thiolglycerol, lipids, amino acids, L-glutamine, GlutaMAX (Thermo Fisher Scientific), One or more substances such as non-essential amino acids (NEAA), vitamins, growth factors, antibiotics, antioxidants, pyruvate, buffers, inorganic salts, and their equivalents, or other normal animal culture media It may contain one or more substances added. In one embodiment, the basal medium is RPMI 1640 medium with B27 supplement and fetal bovine serum.

工程(i)に使用される培地は、さらにROCK阻害剤を含んでいてもよい。ROCK阻害剤は、Rho-キナーゼ(ROCK)の機能を抑制できるものである限り特に限定されず、例えば、Y-27632(例、Ishizaki et al., Mol. Pharmacol. 57, 976-983 (2000);Narumiya et al., Methods Enzymol. 325,273-284 (2000)参照)、Fasudil/HA1077(例、Uenata et al., Nature 389: 990-994 (1997)参照)、SR3677(例、Feng Y et al., J Med Chem. 51: 6642-6645(2008)参照)、GSK269962(例、Stavenger RA et al., J Med Chem. 50: 2-5 (2007)またはWO2005/037197参照)、H-1152(例、Sasaki et al., Pharmacol. Ther. 93: 225-232 (2002)参照)、Wf-536(例、Nakajima et al., Cancer Chemother Pharmacol. 52(4): 319-324 (2003)参照)およびそれらの誘導体、ならびにROCKに対するアンチセンス核酸、RNA干渉誘導性核酸(例、siRNA)、ドミナントネガティブ変異体、およびそれらの発現ベクターが挙げられる。また、ROCK阻害剤としては他の公知の低分子化合物も使用できる(例えば、米国特許出願公開第2005/0209261号、同第2005/0192304号、同第2004/0014755号、同第2004/0002508号、同第2004/0002507号、同第2003/0125344号、同第2003/0087919号、及び国際公開第2003/062227号、同第2003/059913号、同第2003/062225号、同第2002/076976号、同第2004/039796号参照)。本発明では、1種または2種以上のROCK阻害剤が使用され得る。本工程で用いる好ましいROCK阻害剤としては、Y-27632、Fasudil/HA1077、SR3677、GSK269962およびH-1152が挙げられる。 The medium used in step (i) may further contain a ROCK inhibitor. ROCK inhibitors are not particularly limited as long as they can suppress the function of Rho-kinase (ROCK), for example, Y-27632 (e.g., Ishizaki et al., Mol. Pharmacol. 57, 976-983 (2000) Narumiya et al., Methods Enzymol. 325, 273-284 (2000)), Fasudil/HA1077 (e.g. Uenata et al., Nature 389: 990-994 (1997)), SR3677 (e.g. Feng Y et al. , J Med Chem. 51: 6642-6645 (2008)), GSK269962 (e.g. Stavenger RA et al., J Med Chem. 50: 2-5 (2007) or WO2005/037197), H-1152 (e.g. Ther. 93: 225-232 (2002)), Wf-536 (e.g. Nakajima et al., Cancer Chemother Pharmacol. 52(4): 319-324 (2003)) and Included are derivatives thereof, as well as antisense nucleic acids against ROCK, RNA interference-inducing nucleic acids (eg, siRNA), dominant-negative mutants, and expression vectors thereof. In addition, other known low-molecular-weight compounds can also be used as ROCK inhibitors (e.g., US Patent Application Publication Nos. 2005/0209261, 2005/0192304, 2004/0014755, 2004/0002508). , WO 2004/0002507, WO 2003/0125344, WO 2003/0087919, and WO 2003/062227, WO 2003/059913, WO 2003/062225, WO 2002/076976. 2004/039796). One or more ROCK inhibitors may be used in the present invention. Preferred ROCK inhibitors for use in this step include Y-27632, Fasudil/HA1077, SR3677, GSK269962 and H-1152.

ROCK阻害剤としてY-27632を用いる場合の培地中の濃度は、0.1μMから100μM、好ましくは、1μMから500μM、さらに好ましくは、5μMから200μM、例えば約10μMである。なお、本願明細書および請求の範囲において、数値に付随して「約」という場合、数値の±30%、または±20%、もしくは±10%の値まで含むものとする。 When using Y-27632 as a ROCK inhibitor, the concentration in the medium is 0.1 μM to 100 μM, preferably 1 μM to 500 μM, more preferably 5 μM to 200 μM, eg about 10 μM. In the specification and claims of the present application, the term "about" attached to a numerical value includes values up to ±30%, ±20%, or ±10% of the numerical value.

アクチビンAとしてはヒト、マウス等いずれの哺乳動物由来のアクチビンをも使用することができる。本発明に使用するアクチビンとしては、分化に用いる多能性幹細胞と同一の動物種由来のアクチビンを用いることが好ましく、例えばヒト由来の多能性幹細胞を出発原料とする場合、ヒト由来のアクチビンを用いることが好ましい。これらのアクチビンは商業的に入手可能である。 As activin A, any mammal-derived activin such as human or mouse can be used. As the activin used in the present invention, it is preferable to use activin derived from the same animal species as the pluripotent stem cells used for differentiation. For example, when human-derived pluripotent stem cells are used as starting materials, human-derived activin It is preferable to use These activins are commercially available.

アクチビンAの培地中の濃度は、通常0.1から200ng/ml、例えば5から150ng/ml、好ましくは80から120ng/ml特に好ましくは約100ng/mlである。 The concentration of activin A in the medium is usually 0.1 to 200 ng/ml, such as 5 to 150 ng/ml, preferably 80 to 120 ng/ml, particularly preferably about 100 ng/ml.

GSK3阻害剤とは、GSK-3βタンパク質のキナーゼ活性(例えば、βカテニンに対するリン酸化能)を阻害する物質として定義され、既に多数のものが知られているが、例えば、インジルビン誘導体であるBIO(別名、GSK-3β阻害剤IX;6-ブロモインジルビン3'-オキシム)、マレイミド誘導体であるSB216763(3-(2,4-ジクロロフェニル)-4-(1-メチル-1H-インドール-3-イル)-1H-ピロール-2,5-ジオン)、SB415286(3-[(3-クロロ-4-ヒドロキシフェニル)アミノ]-4-(2-ニトロフェニル)-1H-ピロール-2,5-ジオン)、フェニルαブロモメチルケトン化合物であるGSK-3β阻害剤VII(4-ジブロモアセトフェノン)、細胞膜透過型のリン酸化ペプチドであるL803-mts(別名、GSK-3βペプチド阻害剤;Myr-N-GKEAPPAPPQSpP-NH2)および高い選択性を有するCHIR99021 (6-[2-[4-(2,4-Dichlorophenyl)-5-(4-methyl-1H-imidazol-2-yl)
pyrimidin-2-ylamino]ethylamino]pyridine-3-carbonitrile) が挙げられる。これらの化合物は、例えばCalbiochem社やBiomol社等から市販されており容易に利用することが可能である。本発明で使用されるGSK-3β阻害剤は、好ましくは、CHIR99021であり得る。
A GSK3 inhibitor is defined as a substance that inhibits the kinase activity of GSK-3β protein (for example, the ability to phosphorylate β-catenin), and many of them are already known. SB216763 (3-(2,4-dichlorophenyl)-4-(1-methyl-1H-indol-3-yl )-1H-pyrrole-2,5-dione), SB415286 (3-[(3-chloro-4-hydroxyphenyl)amino]-4-(2-nitrophenyl)-1H-pyrrole-2,5-dione) , GSK-3β inhibitor VII (4-dibromoacetophenone), a phenyl α-bromomethyl ketone compound, L803-mts (a.k.a. GSK-3β peptide inhibitor; Myr-N-GKEAPPAPPQSpP- NH2) and the highly selective CHIR99021 (6-[2-[4-(2,4-Dichlorophenyl)-5-(4-methyl-1H-imidazol-2-yl)
pyrimidin-2-ylamino]ethylamino]pyridine-3-carbonitrile). These compounds are commercially available from, for example, Calbiochem and Biomol, and can be easily used. A GSK-3β inhibitor for use in the present invention may preferably be CHIR99021.

工程(i)において、前期前方原始線条(Early APS)細胞を得るためには比較的低濃度のGSK3β阻害剤を用いる。「比較的低濃度」とは、以下に説明する後期前方原始線条(Late APS)を誘導する場合より低濃度であることを意味する。CHIR99021を用いる場合、培地中の濃度は、1μMから4μM未満、例えば1.5μMから3.5μM、好ましくは約3μMとすればよい。 In step (i), a relatively low concentration of GSK3β inhibitor is used to obtain early anterior primitive streak (Early APS) cells. By "relatively low concentration" is meant a concentration lower than that for inducing the late anterior primitive streak (Late APS) as described below. When using CHIR99021, the concentration in the medium may be from 1 μM to less than 4 μM, such as from 1.5 μM to 3.5 μM, preferably about 3 μM.

前期前方原始線条が生成したことは、細胞がBRACHYURY、EOMESを発現し、CDX2を発現していないことによって確認することができる。 Generation of the prophase anterior primitive streak can be confirmed by the cells expressing BRACHYURY, EOMES and not CDX2.

工程(i)において、後期前方原始線条(Late APS)細胞を得るためには、比較的高濃度のGSK3β阻害剤を用いる。GSK3β阻害剤としてCHIR99021を用いる場合、後期前方原始線条(Late APS)細胞を得るための培地中の濃度は、4μM以上、例えば4μMから15μM、好ましくは約8μMとすればよい。 In step (i), a relatively high concentration of GSK3β inhibitor is used to obtain late anterior primitive streak (Late APS) cells. When using CHIR99021 as a GSK3β inhibitor, the concentration in the medium for obtaining late anterior primitive streak (Late APS) cells may be 4 μM or more, for example 4 μM to 15 μM, preferably about 8 μM.

後期前方原始線条細胞が生成したことは、細胞がBRACHYURY、EOMESおよびCDX2を発現することによって確認することができる。 Generation of late anterior primitive streak cells can be confirmed by the cells expressing BRACHYURY, EOMES and CDX2.

工程(i)の培養日数は、12時間~36時間、例えば約1日間とすればよい。
工程(i)のGSK 3β阻害剤の濃度の違いによって、多能性幹細胞は前期前方原始線条細胞(比較的低濃度のGSK3β阻害剤の存在下で培養)または後期前方原始線条細胞(比較的高濃度のGSK3β阻害剤の存在下で培養)へと誘導される。
The number of days of culture in step (i) may be 12 to 36 hours, eg, about 1 day.
Depending on the concentration of the GSK 3β inhibitor in step (i), pluripotent stem cells can either form early anterior primitive streak cells (cultured in the presence of relatively low concentrations of GSK3β inhibitor) or late anterior primitive streak cells (comparative cultured in the presence of a high concentration of GSK3β inhibitor).

工程(ii)においては、工程(i)で得られた細胞をアクチビンAを含み、BMP阻害剤を含むまたは含まない培地中で培養する。
工程(ii)に用いられる基礎培地としては、工程(i)と同様の公知の動物培養用基礎培地から適宜選択すればよい。工程(i)および(ii)で基礎培地は同一であっても相違していてもよい。例えば基礎培地としてRPMI1640にウシ胎児血清を加えた培地を基礎培地として、ここへアクチビンAを添加すればよい。アクチビンAの種類および量としては、工程(i)と同一でよい。
In step (ii), the cells obtained in step (i) are cultured in a medium containing activin A with or without BMP inhibitors.
The basal medium used in step (ii) may be appropriately selected from known animal culture basal mediums similar to those used in step (i). The basal media in steps (i) and (ii) may be the same or different. For example, a medium obtained by adding fetal bovine serum to RPMI1640 as a basal medium may be used as a basal medium, and activin A may be added thereto. The type and amount of activin A may be the same as in step (i).

BMP阻害剤は、Chordin、Noggin、Follistatin、などのタンパク質性阻害剤、Dorsomorphin 6-[4-(2-piperidin-1-yl-ethoxy)phenyl]-3-pyridin-4-yl-pyrazolo[1,5-a]pyrimidine、その誘導体 (P. B. Yu et al. (2007), Circulation, 116:II_60; P.B. Yu et al. (2008), Nat. Chem. Biol., 4:33-41; J. Hao et al. (2008), PLoS ONE, 3(8):e2904)およびLDN-193189(4-(6-(4-(piperazin-1-yl)phenyl)pyrazolo[1,5-a]pyrimidin-3-yl)quinoline)が例示され、好適にはLDN-193189が用いられる。 BMP inhibitors include proteinaceous inhibitors such as Chordin, Noggin, Follistatin, Dorsomorphin 6-[4-(2-piperidin-1-yl-ethoxy)phenyl]-3-pyridin-4-yl-pyrazolo[1, 5-a]pyrimidine, its derivatives (P. B. Yu et al. (2007), Circulation, 116:II_60; P.B. Yu et al. (2008), Nat. Chem. Biol., 4:33-41; J. Hao et al. (2008), PLoS ONE, 3(8):e2904) and LDN-193189 (4-(6-(4-(piperazin-1-yl)phenyl)pyrazolo[1,5-a]pyrimidin-3- yl) quinoline) is exemplified, and LDN-193189 is preferably used.

BMP阻害剤としてLDN-193189を用いる場合、その濃度は例えば100-1000nM、300-700nM、例えば約500nMとすればよい。
工程(ii)の培養期間は36時間から60時間、例えば約2日間とすればよい。
工程(ii)において、3種類の胚体内胚葉細胞のサブポピュレーションを選択的に得ることができる。即ち、
(1)前期前方原始線条細胞を、アクチビンAとBMP阻害剤の存在下で培養した場合には、前方胚体内胚葉の後方ドメイン(PADE)細胞が得られる。
(2)前期前方原始線条細胞を、アクチビンAが存在するが、BMP阻害剤が存在しない条件下で培養した場合には、前方胚体内胚葉の前方ドメイン(AADE)細胞が得られる。
(3)後期前方原始線条細胞を、アクチビンAが存在するが、BMP阻害剤が存在しない条件下で培養した場合には、後方胚体内胚葉(PDE)細胞が得られる。
いずれの胚体内胚葉細胞も、SOX17およびFOXA2を発現する。
When using LDN-193189 as a BMP inhibitor, its concentration may be, for example, 100-1000 nM, 300-700 nM, eg about 500 nM.
The culture period of step (ii) may be 36 hours to 60 hours, for example about 2 days.
In step (ii), three subpopulations of definitive endoderm cells can be selectively obtained. Namely
(1) When prophase anterior primitive streak cells are cultured in the presence of activin A and a BMP inhibitor, anterior definitive endoderm posterior domain (PADE) cells are obtained.
(2) When prophase anterior primitive streak cells are cultured in the presence of activin A but in the absence of BMP inhibitors, anterior domain of the anterior definitive endoderm (AADE) cells are obtained.
(3) Posterior definitive endoderm (PDE) cells are obtained when late anterior primitive streak cells are cultured in the presence of activin A but in the absence of BMP inhibitors.
Both definitive endoderm cells express SOX17 and FOXA2.

本願は、工程(ii)で得られたPADE細胞、AADE細胞、またはPDE細胞を、分化誘導因子を含まない培地中で培養する工程(iii)を含む、前方前腸(AFG)細胞、後方前腸(PFG)細胞、または中後腸(MHG)細胞を得る方法をさらに提供する。 The present application provides anterior foregut (AFG) cells, posterior anterior Further provided is a method of obtaining intestinal (PFG) cells or mid-heptal gut (MHG) cells.

本工程にて用いられる基礎培地は工程(i)に記載したものより適宜選択すればよい。基礎培地として、例えばIMEM Zinc Option培地が例示される。基礎培地にはアクビチン、GSK3β阻害剤、BMP阻害剤その他分化誘導因子としての物質を添加せずに用いる。なお、使用する基礎培地には上記工程(i)にて列記した物質その他通常動物細胞培養用培地に添加される物質を1つ以上含んでいてもよい。工程(iii)の培養期間は3-8日、例えば約6日とすればよい。
工程(iii)によって、PADE細胞は前方前腸(AFG)細胞へ、AADE細胞は後方前腸(PFG)細胞へ、およびPDE細胞は中後腸(MHG)細胞へと誘導される。
The basal medium used in this step may be appropriately selected from those described in step (i). Examples of basal medium include IMEM Zinc Option medium. The basal medium is used without adding substances such as avitin, GSK3β inhibitor, BMP inhibitor and other differentiation-inducing factors. The basal medium used may contain one or more of the substances listed in step (i) above and other substances usually added to animal cell culture media. The culture period of step (iii) may be 3-8 days, for example about 6 days.
Step (iii) induces PADE cells into anterior foregut (AFG) cells, AADE cells into posterior foregut (PFG) cells, and PDE cells into mid-hestgut (MHG) cells.

即ち、本願は下記3つの態様を含む:
1 第1の態様
ヒト多能性幹細胞から前方胚体内胚葉の後方ドメイン細胞を経て前方前腸細胞を製造する方法であって、以下の工程(i-1)から(iii-1)を含む方法:
(i-1)多能性幹細胞をアクチビンAと比較的低濃度のGSK3β阻害剤を含む培地中で培養する工程、および
(ii-1)前記工程(i-1)で得られた細胞をアクチビンAおよびBMP阻害剤を含む培地中で培養する工程、および
(iii-1)前記工程(ii-1)で得られた細胞を、分化誘導因子を含まない培地中で培養する工程。
Thus, the present application includes the following three aspects:
1 First embodiment A method for producing anterior foregut cells from human pluripotent stem cells via posterior domain cells of anterior definitive endoderm, the method comprising the following steps (i-1) to (iii-1) :
(i-1) a step of culturing pluripotent stem cells in a medium containing activin A and a relatively low concentration of a GSK3β inhibitor, and (ii-1) the cells obtained in step (i-1) with activin and (iii-1) culturing the cells obtained in step (ii-1) in a medium containing no differentiation-inducing factor.

2 第2の態様
ヒト多能性幹細胞から前方胚体内胚葉の前方ドメイン細胞を経て後方前腸細胞を製造する方法であって、以下の工程(i-2)から(iii-2)を含む方法:
(i-2)多能性幹細胞をアクチビンAと比較的低濃度のGSK3β阻害剤を含む培地中で培養する工程、
(ii-2)前記工程(i-2)で得られた細胞をアクチビンAを含む培地中で培養する工程、および
(iii-2)前記工程(ii-2)で得られた細胞を、分化誘導因子を含まない培地中で培養する工程。
2 Second embodiment A method for producing posterior foregut cells from human pluripotent stem cells via anterior domain cells of anterior definitive endoderm, the method comprising the following steps (i-2) to (iii-2) :
(i-2) culturing the pluripotent stem cells in a medium containing activin A and a relatively low concentration of a GSK3β inhibitor;
(ii-2) culturing the cells obtained in step (i-2) in a medium containing activin A, and (iii-2) the cells obtained in step (ii-2) are differentiated culturing in medium without inducer.

3 第3の態様
多能性幹細胞から後方胚体内胚葉細胞を経て中後腸細胞を製造する方法であって、以下の工程(i-3)から(iii-3)を含む方法:
(i-3)多能性幹細胞をアクチビンAと比較的高濃度のGSK3β阻害剤を含む培地中で培養する工程、および
(ii-3)前記工程(i-3)で得られた細胞を、アクチビンAを含む培地中で培養する工程、および
(iii-3)前記工程(ii-3)で得られた細胞を、分化誘導因子を含まない培地中で培養する工程。
3 Third Aspect A method for producing mid-hinge enterocytes from pluripotent stem cells via retro-definitive endoderm cells, the method comprising the following steps (i-3) to (iii-3):
(i-3) a step of culturing pluripotent stem cells in a medium containing activin A and a relatively high concentration of a GSK3β inhibitor, and (ii-3) the cells obtained in step (i-3), a step of culturing in a medium containing activin A; and (iii-3) a step of culturing the cells obtained in step (ii-3) in a medium containing no differentiation inducer.

AFG細胞は中耳、胸腺、甲状腺、気管、肺および食道を構成する細胞へと分化される。PFGは胃、十二指腸、膵臓および肝臓を構成する細胞へと分化される。およびMHGは小腸および大腸を構成する細胞へと分化されることが知られている。各細胞ヘ分化誘導する方法は知られており、当業者は公知の方法から適宜選択することができる。本願の方法にて得られる各細胞を、さらに分化誘導して上記細胞を得る方法もまた、本願に含まれる。 AFG cells differentiate into cells that make up the middle ear, thymus, thyroid, trachea, lung and esophagus. PFG is differentiated into cells that make up the stomach, duodenum, pancreas and liver. and MHG are known to differentiate into cells that constitute the small and large intestine. Methods for inducing differentiation into each cell are known, and those skilled in the art can appropriately select from known methods. The present application also includes a method for obtaining the above cells by further inducing differentiation of each cell obtained by the method of the present application.

以下実施例に基づき本願を更に詳細に説明する。
1. 材料および方法
1.1. 細胞培養
フィーダーフリー培養物を得るために、hiPSC(585A1細胞)(Okita K et al., 2011, Kajiwara M et al., 2012)を、製造元の指示に従い、Essential 8 培地(Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA)で維持した。通例の継代培養のために、hiPSCコロニーを、0.5 mM EDTA(Wako, Osaka, Japan)を用いて酵素法により分離し、10μM Y-27632 (Wako)を添加することで1:100の割合に分けた。
The present application will be described in more detail based on the following examples.
1. Materials and methods
1.1. Cell Culture To obtain feeder-free cultures, hiPSCs (585A1 cells) (Okita K et al., 2011, Kajiwara M et al., 2012) were grown in Essential 8 medium (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA). For routine subculturing, hiPSC colonies were isolated enzymatically with 0.5 mM EDTA (Wako, Osaka, Japan) and expanded at a ratio of 1:100 by adding 10 μM Y-27632 (Wako). divided.

1.2. 前方原始線条(APS)への分化
80%のコンフルエントに培養したhiPSCコロニーを、0.5 mM EDTAにより、酵素法で単一細胞に分離した。当該細胞を、前期APS誘導のためには100 ng/ml recombinant human/mouse/rat アクチビンAおよび3μM CHIR99021 (Axon Medchem, Groningen, Netherlands)を添加した、および、後期APS誘導のためには、100 ng/ml アクチビンA および8μM CHIR99021を添加した、2%(vol/vol)のB27サプリメント (GFR-B27, Growth Factor Reduced, Thermo Fisher Scientific)、50 U/mlペニシリン/ストレプトマイシン(P/S, Thermo Fisher Scientific)および、10μM Y-27632を含む、RPMI 1640 培地 (NACALAI TESQUE, Kyoto, Japan)に再懸濁し、Matrigel(Becton Dickinson, Franklin Lakes, NJ)でコートしたプレートに9×104 cells/cm2で播種して、1日間培養した。
1.2. Differentiation into the anterior primitive streak (APS)
80% confluent hiPSC colonies were enzymatically dissociated into single cells with 0.5 mM EDTA. The cells were supplemented with 100 ng/ml recombinant human/mouse/rat activin A and 3 μM CHIR99021 (Axon Medchem, Groningen, Netherlands) for early APS induction and 100 ng for late APS induction. 2% (vol/vol) B27 supplement (GFR-B27, Growth Factor Reduced, Thermo Fisher Scientific), 50 U/ml Penicillin/Streptomycin (P/S, Thermo Fisher Scientific), supplemented with /ml Activin A and 8 μM CHIR99021 ) and 10 μM Y-27632 in RPMI 1640 medium (NACALAI TESQUE, Kyoto, Japan) and plated at 9×10 4 cells/cm 2 on Matrigel (Becton Dickinson, Franklin Lakes, NJ) coated plates. Seeded and cultured for 1 day.

1.3. 胚体内胚葉(DE)への分化
前期APSからDE細胞への分化
AADE細胞への誘導のためには2%(vol/vol)B27サプリメント(GFR-B27)、50 U/ml P/Sおよび100 ng/mlアクチビンAを添加したRPMI 1640培地で、PADE細胞への誘導のためには100 ng/ml アクチビンAおよび 500 nM LDN193189 (Axon Medchem)を添加したRPMI 1640培地で、2日間培養することにより、前期APSから前方胚体内胚葉の前方ドメイン(AADE)細胞または前方胚体内胚葉の後方ドメイン(PADE)へと誘導した。
後期APSからDE細胞への分化
後期APS細胞を2%(vol/vol)B27サプリメント(GFR-B27)、50 U/ml P/Sおよび100 ng/ml アクチビンAを添加したRPMI 1640培地で2日間培養して、後方胚体内胚葉(PDE)細胞へ誘導した。
1.3. Differentiation to definitive endoderm (DE) Differentiation from prophase APS to DE cells
RPMI 1640 medium supplemented with 2% (vol/vol) B27 supplement (GFR-B27), 50 U/ml P/S and 100 ng/ml activin A for induction into AADE cells. Prophase APS to anterior definitive endoderm (AADE) cells or anterior domain of the anterior definitive endoderm (AADE) cells were cultured for 2 days in RPMI 1640 medium supplemented with 100 ng/ml activin A and 500 nM LDN193189 (Axon Medchem) for induction. It was directed to the posterior domain of the definitive endoderm (PADE).
Differentiation of Late APS to DE Cells Late APS cells were incubated in RPMI 1640 medium supplemented with 2% (vol/vol) B27 supplement (GFR-B27), 50 U/ml P/S and 100 ng/ml Activin A for 2 days. Cultured and induced into posterior definitive endoderm (PDE) cells.

1.4. 原腸 (Gut Tube, GT)細胞および後期原腸(Late Gut Tube, LGT)細胞への分化
GT細胞誘導のために、3つのタイプのDE細胞(AADE、PADEおよびPDE)を、Improved MEM Zinc Option (iMEM) 培地(Thermo Fisher Scientific)で3日間培養した。その後、GT細胞を、同じ培地を用いて3日間培養してLGT細胞へ分化させた。
1.4. Differentiation into gastrula (Gut Tube, GT) and late gastrula (Late Gut Tube, LGT) cells
For GT cell induction, three types of DE cells (AADE, PADE and PDE) were cultured in Improved MEM Zinc Option (iMEM) medium (Thermo Fisher Scientific) for 3 days. The GT cells were then cultured in the same medium for 3 days to differentiate into LGT cells.

1.5. 肝臓および肺系列細胞への分化
得られたLGT細胞を、既報の分化プロトコール(Kajiwara M et al., 2012, Proc Natl Acad Sci U S A 109, 12538-12543, Gotoh S et al., 2014, Stem Cell Reports 3, 394-403.)に従い、肝細胞様細胞および肺胞上皮前駆細胞にさらに分化させた。
肝細胞様細胞への分化
1.4で得たhiPSC由来LGT細胞を、20 ng/mL組換えヒト肝細胞増殖因子 (HGF; PeproTech, Rocky Hill, NJ)および20 ng/mL組換えヒトオンコスタチンM (OsM; PeproTech)を含有する肝細胞培養培地で6日間培養して、肝細胞様細胞への分化を誘導した。
肺胞上皮前駆細胞への分化
1.4で得たhiPSC由来のLGT細胞を、1×B27および N2 サプリメント (Thermo Fisher Scientific)、50 U/ml P/S、0.05 mg/ml L-アスコルビン酸 (Sigma-Aldrich, Tokyo, Japan)、0.4 mM モノチオグリセロール(Wako)、100 ng/ml 組換えヒト骨形成タンパク質(BMP)4 (R&D Systems)、0.5μM 全トランス型レチノイン酸 (ATRA; Sigma-Aldrich)および3.5μM CHIR99021を含有する、Glutamaxを添加したDMEM/F12培地 (Thermo Fisher Scientific)で、4日間培養した。
1.5. Differentiation into Liver and Lung Lineage Cells They were further differentiated into hepatocyte-like cells and alveolar epithelial progenitor cells according to Cell Reports 3, 394-403.).
Differentiation into hepatocyte-like cells
hiPSC-derived LGT cells obtained in 1.4 were treated with 20 ng/mL recombinant human hepatocyte growth factor (HGF; PeproTech, Rocky Hill, NJ) and 20 ng/mL recombinant human oncostatin M (OsM; PeproTech). Differentiation into hepatocyte-like cells was induced by culturing in hepatocyte culture medium for 6 days.
Differentiation into alveolar epithelial progenitor cells
hiPSC-derived LGT cells obtained in 1.4 were treated with 1×B27 and N2 supplement (Thermo Fisher Scientific), 50 U/ml P/S, 0.05 mg/ml L-ascorbic acid (Sigma-Aldrich, Tokyo, Japan), 0.4 Glutamax containing mM monothioglycerol (Wako), 100 ng/ml recombinant human bone morphogenetic protein (BMP)4 (R&D Systems), 0.5 μM all-trans retinoic acid (ATRA; Sigma-Aldrich) and 3.5 μM CHIR99021 was added to DMEM/F12 medium (Thermo Fisher Scientific) for 4 days.

1.6. 免疫染色
細胞を、4% パラホルムアルデヒド(PFA)/PBSを用いて、20分間、4℃で固定した。PBSで洗浄後、細胞を5% 正常ロバ血清(Funakoshi, Tokyo, Japan)/PBST (PBS/0.1% Triton X-100)を用いて、1時間、室温でブロッキングした。一次抗体をブロッキング溶液で希釈し、サンプルと共に一晩、4℃でインキュベートした。PBSで3回洗浄後、細胞を、二次抗体と共に、1時間、室温でインキュベートした。本研究で用いた二次抗体には、Alexa Fluor 488-、546-または647-結合の、抗マウス、ウサギ、またはヤギIgGロバ抗体が含まれ、1:200希釈で用いた。核染色のために、Hoechst 33342三塩酸塩三水和物(Thermo Fisher Scientific)を、1:200希釈で用いた。用いた一次抗体を表2に示す。
1.6. Immunostaining Cells were fixed with 4% paraformaldehyde (PFA)/PBS for 20 minutes at 4°C. After washing with PBS, cells were blocked with 5% normal donkey serum (Funakoshi, Tokyo, Japan)/PBST (PBS/0.1% Triton X-100) for 1 hour at room temperature. Primary antibodies were diluted in blocking solution and incubated with samples overnight at 4°C. After washing three times with PBS, cells were incubated with secondary antibody for 1 hour at room temperature. Secondary antibodies used in this study included Alexa Fluor 488-, 546- or 647-conjugated anti-mouse, rabbit, or goat IgG donkey antibodies, used at a 1:200 dilution. For nuclear staining, Hoechst 33342 trihydrochloride trihydrate (Thermo Fisher Scientific) was used at a 1:200 dilution. Table 2 shows the primary antibodies used.

Figure 0007201223000002
Figure 0007201223000002

1.7. RT-PCRおよび、リアルタイム定量RT-PCR (qRT-PCR)
全RNAを、RNeasyキット(Qiagen, Tokyo, Japan)を用いて、製造元の推奨に従い単離し、続いて、標準的プロトコール(Mae S et al., 2013)を用いてcDNA合成を行った。端的には、第一鎖cDNAを、1μgの全RNAから、ReverTra Ace (TOYOBO, Osaka, Japan)を用いて合成した。当該cDNAサンプルを、サーマルサイクラー(Veriti 96-well Thermal Cycler, Applied Biosystems, Waltham, MA)を用いたPCR増幅に供し、Ex-Taq PCR キット(Takara, Shiga, Japan)を用いて、製造元の指示に従い、PCRを行った。PCRサイクルは以下の通りであった:ハウスキーピング遺伝子β-ACTINに対して、初期変性を94℃で2.5分間、続いて、94℃で30秒間、60℃で1分間、72℃で30秒間を25サイクル、および最終伸長反応を72℃で10分間行った。他の遺伝子に対しては、初期変性を94℃で2.5分間、続いて、94℃で30秒間、58℃-50℃で30-60秒間、72℃で30秒間を30-40サイクル、および最終伸長反応を72℃で10分間で行うサイクルで行った。qPCRを、Step One Plus Real-Time PCR System (Applied Biosystems)および SYBR Green PCR Master Mix (Takara)を用いて行った。変性を95℃で30秒間行い、続いて、95℃で5秒間、60℃で30秒間を24サイクル行った。製造元が推奨するように、遺伝子発現レベルのデータを解析し、β-ACTINの遺伝子発現レベルにキャリブレーションするために、閾値サイクル法(threshold cycle method)を用いた。PCR反応は、各サンプルに対し、三連で行った。用いたプライマーの配列を表3に示す。
1.7. RT-PCR and real-time quantitative RT-PCR (qRT-PCR)
Total RNA was isolated using the RNeasy kit (Qiagen, Tokyo, Japan) according to the manufacturer's recommendations, followed by cDNA synthesis using standard protocols (Mae S et al., 2013). Briefly, first-strand cDNA was synthesized from 1 μg of total RNA using ReverTra Ace (TOYOBO, Osaka, Japan). The cDNA samples were subjected to PCR amplification using a thermal cycler (Veriti 96-well Thermal Cycler, Applied Biosystems, Waltham, Mass.) and Ex-Taq PCR kit (Takara, Shiga, Japan) according to the manufacturer's instructions. , PCR was performed. The PCR cycles were as follows: initial denaturation at 94°C for 2.5 minutes, followed by 94°C for 30 seconds, 60°C for 1 minute, and 72°C for 30 seconds for the housekeeping gene β-ACTIN. 25 cycles and a final extension reaction were performed at 72°C for 10 minutes. For other genes, initial denaturation at 94°C for 2.5 minutes, followed by 30-40 cycles of 94°C for 30 seconds, 58°C-50°C for 30-60 seconds, 72°C for 30 seconds, and a final The extension reaction was cycled at 72°C for 10 minutes. qPCR was performed using the Step One Plus Real-Time PCR System (Applied Biosystems) and SYBR Green PCR Master Mix (Takara). Denaturation was performed at 95°C for 30 seconds, followed by 24 cycles of 95°C for 5 seconds and 60°C for 30 seconds. A threshold cycle method was used to analyze the gene expression level data and calibrate to the gene expression levels of β-ACTIN as recommended by the manufacturer. PCR reactions were performed in triplicate for each sample. Table 3 shows the sequences of the primers used.

Figure 0007201223000003
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1.8. RNA塩基配列決定
培養細胞から100ngの全RNAを、製造元の指示に従い、KAPA stranded mRNA-seq Kits (KAPA Biosystems, Woburn, MA)を用いたライブラリ調製に供した。当該ライブラリを、HiSeq2500の100サイクルのSingle-Readモードにおいて、塩基配列決定した。全ての配列読み取りデータを、CASAVA 1.8.2パイプラインにおけるBCL2FASTQ Conversion Software 1.8.4を用いて、FASTQフォーマットで抽出した。配列読み取りデータを、遺伝子発現値のTophat v2.0.14. Calculationを用いて、2014年4月25日にダウンロードしたhg19参照遺伝子にマッピングし、RPKMforgenes (10th December 2012)により補正(normalization)を行い、発現レベルをlog2 (RPKM+1)で表した。遺伝子発現のヒートマップを、R 3.2.1のgplotsライブラリのheatmap.2関数により、作成した。組織および細胞サンプルの遺伝子発現のTwo-way階層的クラスタリングを、R3.2.1のhclust関数を用いて実行した。
1.8. RNA Sequencing 100 ng of total RNA from cultured cells was subjected to library preparation using KAPA stranded mRNA-seq Kits (KAPA Biosystems, Woburn, MA) according to the manufacturer's instructions. The library was sequenced on the HiSeq2500 in Single-Read mode for 100 cycles. All sequence reads were extracted in FASTQ format using BCL2FASTQ Conversion Software 1.8.4 in the CASAVA 1.8.2 pipeline. Sequence reads were mapped to the hg19 reference gene downloaded on April 25, 2014 using Tophat v2.0.14. Levels were expressed as log 2 (RPKM+1). Gene expression heatmaps were generated by the heatmap.2 function of the gplots library in R 3.2.1. Two-way hierarchical clustering of gene expression in tissue and cell samples was performed using the hclust function in R3.2.1.

2. 結果
2.1.異なる分化プロトコールにより、異なるタイプの胚体内胚葉(Definitive Endoderm, DE)細胞が生成されることを確認した
胚体内胚葉細胞集団の特徴を示す2つのモデルが存在する:1)DE細胞は、任意の内胚葉系細胞ヘ分化可能な単一細胞タイプの多能性内胚葉前駆細胞である(図1A、左)、2)DE細胞は、複数のタイプの系列決定内胚葉前駆細胞集団を含有し得る(図1A、右)。本発明者らは、DE細胞が単一タイプの多能性内胚葉前駆細胞であるとすれば、異なる分化プロトコールで誘導されたDE細胞であっても、一様に内胚葉系の細胞、例えば後期原腸(LGT)段階のαフェトプロテイン(AFP)(+)細胞、すなわち肝芽細胞へ分化され得ると仮定した。
2. Results
2.1.Different Differentiation Protocols Confirmed Generation of Different Types of Definitive Endoderm (DE) Cells There are two models that characterize definitive endoderm cell populations: 1) DE cells are 2) DE cells contain multiple types of lineage-committed endoderm progenitor populations, which are a single-cell type of multipotent endoderm progenitor cells capable of differentiating into any endoderm lineage cell (Fig. 1A, left); (Fig. 1A, right). Given that DE cells are a single type of pluripotent endoderm progenitor cells, the present inventors have found that even DE cells induced by different differentiation protocols are uniformly endoderm lineage cells, e.g. It was hypothesized that they could be differentiated into α-fetoprotein (AFP) (+) cells at the late gastrulation (LGT) stage, ie hepatoblasts.

この仮説を調べるために、我々は、肝系列細胞の既報の誘導プロトコール(Takebe, T. et al., 2014, Nat Protoc 9, 396-409.)を改変することにより、hiPSCから、AFP(+)細胞への、直接分化方法を開発した。アクチビンAおよびCHIR99021で処理し、続いてアクチビンA単独で処理することによるAPSの誘導は、SOX17(+)FOXA2(+)DE細胞(図1B方法1、図1C上図)を非常に効率的に誘導した。さらに、BMP4および繊維芽細胞増殖因子2(FGF2)による処理により、DE細胞からLGT段階のAFP(+)細胞を生成した(図1D上図)。 To test this hypothesis, we derived AFP (+ ) developed a direct differentiation method to cells. Induction of APS by treatment with activin A and CHIR99021 followed by treatment with activin A alone induced SOX17(+) FOXA2(+) DE cells (Fig. 1B method 1, Fig. 1C top panel) very efficiently. induced. Furthermore, treatment with BMP4 and fibroblast growth factor 2 (FGF2) generated AFP(+) cells at the LGT stage from DE cells (Fig. 1D upper panel).

BMPなどの外因性の中胚葉分化シグナルを除去することにより、および、BMPアンタゴニストであるnoggin、またはBMP受容体阻害剤であるLDN193189を用いて内因性BMPを中和することにより、DE細胞が、APS細胞から誘導され得ることが報告されている(非特許文献11)。我々は、アクチビンAおよびLDN193189による処理によっても、APS細胞からSOX17(+)FOXA2(+)DE細胞が確実に生成されることを確認した(図1B方法2、図1C下図)。しかしながら、後者の細胞は、BMP4とFGF2による処理によってAFP(+)細胞に分化させることはできなかった(図1D下図)。これらのデータは、異なるプロトコールを用いてhiPSCから誘導されたDE細胞の、AFP陽性の後期原腸の前腸領域細胞への分化能が異なることを示す。即ち、種々の内胚葉系細胞へ分化する運命は、DE段階で既に制限されていることを示し、図1A右に示すモデル図が正しいことが判った。 By removing extrinsic mesodermal differentiation signals such as BMPs and by neutralizing endogenous BMPs with the BMP antagonist noggin or the BMP receptor inhibitor LDN193189, DE cells It has been reported that it can be induced from APS cells (Non-Patent Document 11). We confirmed that treatment with activin A and LDN193189 also reliably generated SOX17(+)FOXA2(+)DE cells from APS cells (Fig. 1B, Method 2, Fig. 1C, lower panel). However, the latter cells could not be differentiated into AFP(+) cells by treatment with BMP4 and FGF2 (FIG. 1D, lower panel). These data demonstrate that DE cells derived from hiPSCs using different protocols differ in their ability to differentiate into AFP-positive late gastrula foregut region cells. That is, it was found that the fate of differentiating into various endoderm cells was already restricted at the DE stage, and the model diagram shown on the right side of FIG. 1A was found to be correct.

2.2. 2つのDE細胞サブタイプの分化指向性
DE細胞サブポピュレーションの分化可能性が、特定の内胚葉系細胞に制限されているかどうかを調べるために、図1Bの2つの方法によって産生されたDEサブポピュレーションを、誘導因子を添加することなくさらに3~6日間培養して分化させた(図2A)。3日間培養後に、方法Aの細胞は、GT細胞の後方前腸領域のマーカーである、HNF1βおよびHNF4α陽性細胞に分化した。GT細胞の前方前腸領域のマーカーであるSOX2を発現する細胞はほとんど存在しなかった(図2A、2B上図)。HNF1β(+)HNF4α(+)細胞を更に培養したところ、LGT段階のAFP(+)細胞に分化した(図2B上図)。
2.2. Differentiation tropism of the two DE cell subtypes
To investigate whether the differentiation potential of the DE cell subpopulations is restricted to specific endoderm lineage cells, the DE subpopulations produced by the two methods of FIG. The cells were cultured for an additional 3-6 days for differentiation (Fig. 2A). After 3 days of culture, the cells of Method A differentiated into HNF1β and HNF4α positive cells, markers of the posterior foregut region of GT cells. Almost no cells expressing SOX2, which is a marker for the anterior foregut region of GT cells, were present (Figures 2A and 2B, upper figures). When HNF1β(+) HNF4α(+) cells were further cultured, they differentiated into AFP(+) cells at the LGT stage (Fig. 2B, upper panel).

この結果は、方法Aで誘導されたDE細胞が、外因性の誘導因子を添加することなく、後期原腸の後方前腸領域の細胞、即ち肝芽細胞に分化することを示している。一方、方法Bの細胞は、LGT段階ではSOX2(+)であり、後期原腸の前方前腸領域の細胞へと分化した。HNF1β、HNF4αおよびAFPは陰性であった(図2B下図)。各段階でのSOX2 mRNA発現についてのqRT-PCR解析により確認した(図2C)。これらの結果は、特定の内胚葉系列へ将来分化する可能性は、DE段階にすでに制限されていることを示唆している。 This result indicates that DE cells induced by Method A differentiate into cells of the posterior foregut region of late gastrulation, ie, hepatoblasts, without the addition of exogenous inducers. On the other hand, the cells of Method B were SOX2(+) at the LGT stage and differentiated into cells of the anterior foregut region of late gastrula. HNF1β, HNF4α and AFP were negative (FIG. 2B lower panel). SOX2 mRNA expression at each stage was confirmed by qRT-PCR analysis (Fig. 2C). These results suggest that the potential for future differentiation toward specific endoderm lineages is already restricted to the DE stage.

インビトロにおけるhiPSC由来LGT細胞の発生能を評価するために、方法AまたはBで産生されたLGT細胞から、既報の方法(非特許文献6および7)を用いて、肝細胞様細胞および肺胞上皮前駆細胞への分化を誘導した。方法Aで誘導されたhiPSC由来LGT細胞が、ALBUMIN(ALB)(+)細胞に分化したが、NKX2.1(+)の腹側前方前腸細胞には分化しないことを確認した(図2D、2E上図)。対照的に、方法Bで誘導されたLGT細胞は、AFP(+)またはALB(+)細胞に分化することなく、NKX2.1(+)細胞へと分化した(図2D、2E下図)。これらの結果は、方法Aで誘導されたDE細胞が、GTおよびLGT細胞の後方前腸領域を生じる前方胚体内胚葉の前方ドメイン(AADE)細胞であり、一方、方法Bで誘導されたDE細胞が、GTおよびLGT細胞の前方前腸領域に分化する前方胚体内胚葉の後方ドメイン(PADE)細胞であることを、示唆している。 To evaluate the developmental potential of hiPSC-derived LGT cells in vitro, hepatocyte-like cells and alveolar epithelial cells were isolated from LGT cells produced by Method A or B using previously reported methods (Non-Patent Documents 6 and 7). Differentiation into progenitor cells was induced. It was confirmed that hiPSC-derived LGT cells induced by method A differentiated into ALBUMIN (ALB) (+) cells, but did not differentiate into NKX2.1 (+) ventral anterior foregut cells (Fig. 2D, 2E upper diagram). In contrast, LGT cells induced by Method B differentiated into NKX2.1(+) cells without differentiating into AFP(+) or ALB(+) cells (FIGS. 2D, 2E lower panels). These results indicate that DE cells induced with method A are anterior domain of anterior definitive endoderm (AADE) cells that give rise to the posterior foregut region of GT and LGT cells, whereas DE cells induced with method B are the posterior domain of the anterior definitive endoderm (PADE) cells that differentiate into the anterior foregut region of GT and LGT cells.

2.3. AADEとPADEの遺伝子発現プロファイルの比較
上記結果は、異なるプロトコールで生成されるDE細胞が、それぞれ特定の内胚葉系への分化能を有することを示唆している。DE細胞の2つのタイプ、AADEおよびPADE細胞、並びにそれらから派生するGTおよびLGT細胞の間の、遺伝子発現パターンの違いを明らかにするために、RNA配列決定解析を行った。その結果、AADEおよびPADE細胞の間の、周知のPSおよびDEマーカーの発現レベルにほとんど違いはなかった(図3A)。主成分分析(PCA)によってもまた、AADEおよびPADE細胞の間において、相対的に同様な遺伝子発現プロファイルを確認した(図3B)。しかしながら、AADEおよびPADE細胞集団の間で、異なって発現された273の遺伝子を同定した(図3Cおよび表4)。これらのデータは、AADEおよびPADEは、周知のDEおよびPSマーカーに対して同様の発現パターンを有するが、これらのDEサブポピュレーションを区別できる候補マーカーが存在することを示唆している。
2.3. Comparison of gene expression profiles of AADE and PADE The above results suggest that DE cells generated by different protocols have the potential to differentiate into specific endoderm lineages. RNA sequencing analysis was performed to reveal differences in gene expression patterns between the two types of DE cells, AADE and PADE cells and their derived GT and LGT cells. As a result, there was little difference in the expression levels of well-known PS and DE markers between AADE and PADE cells (Fig. 3A). Principal component analysis (PCA) also confirmed relatively similar gene expression profiles between AADE and PADE cells (Fig. 3B). However, we identified 273 differentially expressed genes between the AADE and PADE cell populations (Fig. 3C and Table 4). These data suggest that AADE and PADE have similar expression patterns to well-known DE and PS markers, but that candidate markers exist that can distinguish these DE subpopulations.

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2.4.後期前方原始線条(late APS)、後方胚体内胚葉(PDE)および中後腸(MHG)細胞の誘導方法の確立
中後腸細胞への制限された分化能を有するPDE細胞の新規分化プロトコールを確立するために、hiPSCからのAPSへの分化をさらに調べた。中胚葉サブタイプへのパターン形成は、PSにおける中胚葉誘導のタイミングと相関するとの報告から(非特許文献15)、DEパターン形成もまた、APSにおけるDE細胞分化のタイミングに対応するであろうと仮定した。この仮定のもと、100 ng/mlのアクチビンAおよび3μMのCHIR99021で処理することにより誘導されたhiPSC由来APS細胞の特徴を調べた(図2A)。免疫染色により、これらの細胞はAPSマーカーBRACHYURYおよびEOMES陽性であるが、後期原始線条のマーカーであるCDX2に対して陽性の細胞はほとんどなかった(図4A上図)。これらのデータは、100 ng/mlのアクチビンAおよび3μMのCHIR99021による処理により、hiPSCが前期APS細胞に分化されることを示している。そこで、後期原始線条への分化プロトコール(非特許文献15)を改変することにより、hiPSCから後期APS細胞を分化させる新規の方法を開発した。100ng/mlのアクチビンAおよび8μMのCHIR99021の存在下で1日間培養を行った。得られた細胞の免疫染色により、BRACHYURY(+)EOMES(+)CDX2(+)である後期APS細胞が生成していることを確認した(図4A下図)。
2.4. Establishment of a method for inducing late anterior primitive streak (late APS), posterior definitive endoderm (PDE) and middle hindgut (MHG) cells Novel differentiation of PDE cells with restricted differentiation potential to middle hindgut cells To establish the protocol, differentiation from hiPSCs to APS was further investigated. Based on reports that patterning into mesoderm subtypes correlates with the timing of mesoderm induction in PS (15), we postulate that DE patterning may also correspond to the timing of DE cell differentiation in APS. bottom. Under this assumption, hiPSC-derived APS cells induced by treatment with 100 ng/ml activin A and 3 μM CHIR99021 were characterized (Fig. 2A). By immunostaining, these cells were positive for the APS markers BRACHYURY and EOMES, but few cells were positive for CDX2, a marker for the late primitive streak (FIG. 4A, upper panel). These data demonstrate that treatment with 100 ng/ml activin A and 3 μM CHIR99021 differentiates hiPSCs into prophase APS cells. Therefore, a novel method for differentiating late APS cells from hiPSCs was developed by modifying the late primitive streak differentiation protocol (Non-Patent Document 15). Culture was performed for 1 day in the presence of 100 ng/ml activin A and 8 μM CHIR99021. By immunostaining the obtained cells, it was confirmed that late stage APS cells, which are BRACHYURY (+) EOMES (+) CDX2 (+), were generated (FIG. 4A, lower diagram).

後期APS細胞からDE細胞誘導のため、さらに100ng/mlのアクチビンAの存在下でさらに2日間培養したところ、得られた細胞はSOX17(+)FOXA2(+)陽性であり、胚体内胚葉細胞が生成していることを確認した(図4B下図)。外因性の誘導因子を添加することなくさらに3日間培養した。得られた細胞の内胚葉系への発生能を調べ、中後腸マーカーである、HNF1β、HNF4αおよびCDX2に対して陽性に染色される分化した細胞を見出した(図4C下図)。これらの発見はまた、CDX2 mRNA発現についてのqRT-PCR解析により確認した。対照的に、hiPSCから前期APSおよびAADEを経て生み出されたGT細胞のhiPSC由来後方前腸領域は、GT細胞のCDX2(+)中後腸領域に分化しなかった(図4A、4B、4C上図)。これらの結果は、PDE細胞を介した、hiPSCから中後腸細胞への効率的な分化方法は、後期APS細胞を生成することによって確立され得ること、および、DEサブタイプへのパターン形成が、APSにおけるDE誘導のタイミングと相関していることを、示唆している(図5A)。 For derivation of DE cells from late APS cells, they were further cultured in the presence of 100 ng/ml activin A for 2 more days. It was confirmed that it was generated (lower diagram in FIG. 4B). The cells were cultured for an additional 3 days without the addition of exogenous inducers. The developmental potential of the obtained cells toward the endodermal lineage was investigated, and differentiated cells stained positively for HNF1β, HNF4α and CDX2, which are mid-hintestinal markers, were found (FIG. 4C, lower diagram). These findings were also confirmed by qRT-PCR analysis for CDX2 mRNA expression. In contrast, the hiPSC-derived posterior foregut region of GT cells generated from hiPSCs through prophase APS and AADE did not differentiate into the CDX2(+) middle hindgut region of GT cells (Figures 4A, 4B, 4C top). figure). These results indicate that an efficient differentiation method from hiPSCs to mid-heptal enterocytes, via PDE cells, can be established by generating late APS cells, and that patterning into DE subtypes suggesting that it correlates with the timing of DE induction in APS (Fig. 5A).

以上の結果より、胚体内胚葉細胞が複数のサブタイプを含有し、それぞれが特定の内胚葉系列へ分化することを確認した(図5B)。また多能性幹細胞から、それぞれの胚体内胚葉細胞のサブタイプを選択的に誘導する方法を確立した(図5A)。 From the above results, it was confirmed that definitive endoderm cells contain multiple subtypes, each of which differentiates into a specific endoderm lineage (Fig. 5B). We also established a method for selectively inducing each subtype of definitive endoderm cells from pluripotent stem cells (Fig. 5A).

Claims (8)

多能性幹細胞から前方前腸(AFG)細胞へと選択的に誘導する方法であって、以下の工程(i)、(ii)および(iii)を含む方法:
(i)多能性幹細胞をアクチビンAと、1μMから4μM未満のCHIR99021と同等の活性を有する比較的低濃度のGSK3β阻害剤とを含む培地中で培養して前期前方原始線条細胞を得る工程
(ii)工程(i)で得られた前期前方原始線条細胞をアクチビンAおよびBMP阻害剤を含む培地中で培養して前方胚体内胚葉の後方ドメイン(PADE)細胞を得る工程、および
(iii)得られた前方胚体内胚葉の後方ドメイン(PADE)細胞を分化誘導因子を含まない培地中で培養して前方前腸(AFG)細胞を得る工程。
A method for selectively inducing anterior foregut (AFG) cells from pluripotent stem cells, the method comprising the following steps (i), (ii) and (iii):
(i) culturing the pluripotent stem cells in medium containing activin A and a relatively low concentration of a GSK3β inhibitor having activity equivalent to CHIR99021 from 1 μM to less than 4 μM to obtain prophase anterior primitive streak cells; ,
(ii) culturing the prophase anterior primitive streak cells obtained in step (i) in medium containing activin A and a BMP inhibitor to obtain anterior definitive endoderm posterior domain (PADE) cells; and
(iii) culturing the obtained anterior definitive endoderm posterior domain (PADE) cells in a differentiation-inducing agent-free medium to obtain anterior foregut (AFG) cells;
前記BMP阻害剤が、LDN-193189である、請求項記載の方法。 2. The method of claim 1 , wherein said BMP inhibitor is LDN-193189. 多能性幹細胞から後方前腸(PFG)細胞へと選択的に誘導する方法であって、以下の工程(i)、(ii)および(iii)を含む方法:
(i)多能性幹細胞をアクチビンAと、1μMから4μM未満のCHIR99021と同等の活性を有する比較的低濃度のGSK3β阻害剤とを含む培地中で培養して前期前方原始線条細胞を得る工程、
(ii)前記工程(i)で得られた前期前方原始線条細胞を、アクチビンAを含む培地中で培養して前方胚体内胚葉の前方ドメイン(AADE)細胞を得る工程、および
(iii)前記工程(ii)で得られた前方胚体内胚葉の前方ドメイン(AADE)細胞を分化誘導因子を含まない培地中で培養して後方前腸(PFG)細胞を得る工程。
A method of selectively inducing pluripotent stem cells into posterior foregut (PFG) cells, the method comprising the following steps (i), (ii) and (iii):
(i) culturing the pluripotent stem cells in medium containing activin A and a relatively low concentration of a GSK3β inhibitor having activity equivalent to CHIR99021 from 1 μM to less than 4 μM to obtain prophase anterior primitive streak cells; ,
(ii) culturing the prophase anterior primitive streak cells obtained in step (i) above in medium containing activin A to obtain anterior domain of the anterior definitive endoderm (AADE) cells; and (iii) above Culturing the anterior domain of anterior definitive endoderm (AADE) cells obtained in step (ii) in a medium free of differentiation inducers to obtain posterior foregut (PFG) cells .
前記GSK3β阻害剤が、CHIR99021であり、培地中におけるCHIR99021の濃度が約3μMである、請求項1~3いずれかに記載の方法。 The method of any of claims 1-3 , wherein the GSK3β inhibitor is CHIR99021 and the concentration of CHIR99021 in the medium is about 3 μM. 多能性幹細胞から中後腸(MHG)細胞へと選択的に誘導する方法であって、以下の工程(i)、(ii)および(iii)を含む方法:
(i)多能性幹細胞をアクチビンAと、4μM以上のCHIR99021と同等の活性を有する比較的高濃度のGSK3β阻害剤とを含む培地中で培養して後期前方原始線条細胞を得る工程
(ii)前記工程(i)で得られた後期前方原始線条細胞を、アクチビンAを含む培地中で培養して後方胚体内胚葉(PDE)細胞を得る工程、および
(iii)得られた後方胚体内胚葉(PDE)細胞を分化誘導因子を含まない培地中で培養して、中後腸(MHG)細胞を得る工程。
A method for selectively inducing pluripotent stem cells into mid-heptal gut (MHG) cells, the method comprising the following steps (i), (ii) and (iii):
(i) culturing the pluripotent stem cells in a medium containing activin A and a relatively high concentration of a GSK3β inhibitor having an activity equivalent to 4 μM or more of CHIR99021 to obtain late anterior primitive streak cells ;
(ii) culturing the late anterior primitive streak cells obtained in step (i) in a medium containing activin A to obtain posterior definitive endoderm (PDE) cells; and
(iii) culturing the obtained posterior definitive endoderm (PDE) cells in a differentiation-inducing factor-free medium to obtain mid-hinggut (MHG) cells;
前記GSK3β阻害剤が、CHIR99021であり、培地中におけるCHIR99021の濃度が4μM以上である、請求項記載の方法。 6. The method of claim 5 , wherein the GSK3[beta] inhibitor is CHIR99021, and the concentration of CHIR99021 in the medium is 4 [mu]M or higher. 培地中における前記CHIR99021の濃度が約8μMである、請求項記載の方法。 7. The method of claim 6 , wherein the concentration of said CHIR99021 in culture medium is about 8 [mu]M. 多能性幹細胞が、ヒトiPS細胞またはヒトES細胞である、請求項1~何れかに記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 7 , wherein the pluripotent stem cells are human iPS cells or human ES cells.
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