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JP7654238B2 - Co-culture system - Google Patents
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JP7654238B2 JP2020086264A JP2020086264A JP7654238B2 JP 7654238 B2 JP7654238 B2 JP 7654238B2 JP 2020086264 A JP2020086264 A JP 2020086264A JP 2020086264 A JP2020086264 A JP 2020086264A JP 7654238 B2 JP7654238 B2 JP 7654238B2
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Description

本発明は、共培養システムに関する。 The present invention relates to a co-culture system.

球脊髄性筋萎縮症(spinal and bulbar muscular atrophy;SBMA)は、成人男性に発症する下位運動ニューロン神経変性疾患であり、ヒトではX染色体の長腕(Xq11-12)にあるアンドロゲン受容体(Androgen Receptor;AR)遺伝子の第1エクソンにあるCAGリピートの異常伸長により発症することが知られている。CAGリピートの異常伸長を有する変異型アンドロゲン受容体アレルをヘミ接合で有する男性はSBMAを発症し、運動ニューロンで神経変性が生じる。 Spinal and bulbar muscular atrophy (SBMA) is a lower motor neuron neurodegenerative disease that affects adult males. In humans, it is known to be caused by an abnormal expansion of a CAG repeat in the first exon of the androgen receptor (AR) gene located on the long arm of the X chromosome (Xq11-12). Men who are hemizygous for a mutant androgen receptor allele with an abnormal expansion of a CAG repeat develop SBMA, which causes neurodegeneration in motor neurons.

SBMAのモデルマウスの運動ニューロンにおいて変異型アンドロゲン受容体の発現を抑制すると、運動機能不全の開始や進行に遅れが出て、運動ニューロン、神経筋接合部(NMJ)、および骨格筋の病態も改善することが報告されている(非特許文献1)。一方で、SBMAのモデルマウスの骨格筋において変異型アンドロゲン受容体の発現を抑制すると、運動ニューロンの神経変性も含めて、表現型が改善することが示されている(非特許文献2)。また、変異型AR遺伝子を成体マウスの運動ニューロンまたは骨格筋細胞に特異的に発現させたところ、運動機能不全と一部の筋肉の病理に対して運動ニューロンの寄与があるものの、筋肉の病理および筋肉遺伝子発現の変化については、骨格筋細胞の寄与が顕著であった(非特許文献3)。このように、SBMAにおける神経変性の原因は運動ニューロン側にあるのか、骨格筋側にあるのかが未だに決着はついていない。 It has been reported that suppressing the expression of mutant androgen receptors in motor neurons of SBMA model mice delays the onset and progression of motor dysfunction and improves the pathology of motor neurons, neuromuscular junctions (NMJs), and skeletal muscles (Non-Patent Document 1). On the other hand, suppressing the expression of mutant androgen receptors in skeletal muscles of SBMA model mice has been shown to improve the phenotype, including neurodegeneration of motor neurons (Non-Patent Document 2). In addition, when mutant AR genes were specifically expressed in motor neurons or skeletal muscle cells of adult mice, although motor neurons contributed to motor dysfunction and some muscle pathology, skeletal muscle cells contributed significantly to muscle pathology and changes in muscle gene expression (Non-Patent Document 3). Thus, it has not yet been determined whether the cause of neurodegeneration in SBMA is on the motor neuron side or on the skeletal muscle side.

ところで、運動ニューロンと骨格筋細胞を共培養すると、運動ニューロンが軸索末端を骨格筋細胞に伸ばし、神経筋接合部(neuromuscular junction;NMJ)を形成する。SBMAの原因を解明するため、この運動ニューロンと骨格筋細胞の共培養系が用いられた(非特許文献4)。まず、野生型アンドロゲン受容体(CAGリピート数が24回)、または変異型アンドロゲン受容体(CAGリピート数が55回、または97回)を恒常的に発現するヒト筋芽細胞株(Hu5/E18)を骨格筋へと分化誘導すると、変異型アンドロゲン受容体を発現する骨格筋では、野生型アンドロゲン受容体を発現する骨格筋と比較して筋管の形成や成熟が悪かった。そして、健常者由来のiPS細胞を分化させた運動ニューロンと共培養したところ、CAGリピート数(ポリグルタミン鎖の長さ)依存的に神経細胞死の増加とNMJ形成数の減少が観察された(非特許文献4)。 When motor neurons and skeletal muscle cells are co-cultured, the motor neurons extend their axon terminals to the skeletal muscle cells to form neuromuscular junctions (NMJs). This co-culture system of motor neurons and skeletal muscle cells was used to elucidate the cause of SBMA (Non-Patent Document 4). First, when a human myoblast cell line (Hu5/E18) that constitutively expresses wild-type androgen receptors (24 CAG repeats) or mutant androgen receptors (55 or 97 CAG repeats) was induced to differentiate into skeletal muscle, the formation and maturation of myotubes was poor in skeletal muscles expressing mutant androgen receptors compared to skeletal muscles expressing wild-type androgen receptors. Then, when iPS cells derived from healthy subjects were co-cultured with motor neurons differentiated from them, an increase in neuronal cell death and a decrease in the number of NMJs formed were observed in a CAG repeat number (length of polyglutamine chain)-dependent manner (Non-Patent Document 4).

Sahashi K et al., Hum Mol Genet 2015, vol.24 No.21, pp.5985-5994Sahashi K et al., Hum Mol Genet 2015, vol.24 No.21, pp.5985-5994 Lieberman AP et al., Cell Rep 2014, vol.7 pp.774-784Lieberman AP et al., Cell Rep 2014, vol.7 pp.774-784 Ramzan et al., J Neurosci 2015, vol.35 No.16, pp.6444-6451Ramzan et al., J Neurosci 2015, vol.35 No.16, pp.6444-6451 ISSCR 要旨 2018年6月ISSCR Summary June 2018

本発明は、球脊髄性筋萎縮症の患者由来のiPS細胞を分化させた骨格筋細胞と健常者由来のiPS細胞を分化させた運動ニューロンの、改良された共培養システムを提供することを目的とする。 The present invention aims to provide an improved co-culture system for skeletal muscle cells differentiated from iPS cells derived from patients with spinal and bulbar muscular atrophy and motor neurons differentiated from iPS cells derived from healthy individuals.

本発明にかかる一実施態様は、球脊髄性筋萎縮症の患者由来のiPS細胞を分化させた骨格筋細胞と健常者由来のiPS細胞を分化させた運動ニューロンの共培養システムであって、テストステロンまたはそのアナログを含有する培地が用いられる、共培養システムである。前記前記テストステロンまたはそのアナログは、外因的に前記培地に添加されたものであってもよい。前記テストステロンのアナログは、アンドロゲン受容体のリガンドであって、アンドロゲン受容体との解離定数が10-5M以下であってもよい。前記テストステロンのアナログは、シピオン酸テストステロン、デカン酸テストステロン、エナント酸テストステロン、イソカプロン酸テストステロン、フェニルプロピオン酸テストステロン、プロピオン酸テストステロン、ウンデカン酸テストステロン、アンドロステンジオン、4-アンドロステンジオン、5-アンドロステンジオン、アンドロステンジオール、5-アンドロステンジオール、4-アンドロステンジオール、デヒドロエピアンドロステロン、ナンドロロン、ジヒドロテストステロン、エチオコラノロン、メチルテストステロン、アンドロステロン、エピアンドロステロン、17α-エチルテストステロン及びフルオキシメステロンからなる群より選択される1以上の化合物であってもよい。上記いずれの共培養システムも、球脊髄性筋萎縮症のin vitroモデルシステムであってもよい。 One embodiment of the present invention is a co-culture system of skeletal muscle cells differentiated from iPS cells derived from a patient with spinal and bulbar muscular atrophy and motor neurons differentiated from iPS cells derived from a healthy individual, the co-culture system using a medium containing testosterone or an analogue thereof. The testosterone or analogue thereof may be exogenously added to the medium. The testosterone analogue may be a ligand for the androgen receptor and have a dissociation constant with the androgen receptor of 10 -5 M or less. The testosterone analogue may be one or more compounds selected from the group consisting of testosterone cypionate, testosterone decanoate, testosterone enanthate, testosterone isocaproate, testosterone phenylpropionate, testosterone propionate, testosterone undecanoate, androstenedione, 4-androstenedione, 5-androstenedione, androstenediol, 5-androstenediol, 4-androstenediol, dehydroepiandrosterone, nandrolone, dihydrotestosterone, etiocholanolone, methyltestosterone, androsterone, epiandrosterone, 17α-ethyltestosterone, and fluoxymesterone. Any of the above co-culture systems may be in vitro model systems for spinal and bulbar muscular atrophy.

本発明によって、球脊髄性筋萎縮症の患者由来のiPS細胞を分化させた骨格筋細胞と健常者由来のiPS細胞を分化させた運動ニューロンの、改良された共培養システムを提供できるようになった。 The present invention makes it possible to provide an improved co-culture system for skeletal muscle cells differentiated from iPS cells derived from patients with spinal and bulbar muscular atrophy and motor neurons differentiated from iPS cells derived from healthy individuals.

実施例1において、変異型アンドロゲン受容体を有する骨格筋細胞を、運動ニューロンと共培養する際、DHTを含有する培地を用いることによって、神経変性が促進され、より良いSBMAのモデルシステムとなることを示す。In Example 1, we show that when skeletal muscle cells with mutant androgen receptors are co-cultured with motor neurons, neurodegeneration is promoted by using a medium containing DHT, providing a better model system for SBMA. 参考実験例1において、細胞株由来の骨格筋細胞と運動ニューロンを共培養してNMJを形成させる際、アグリン(Agrin)、グルタミン酸、ジヒドロテストステロン(DHT)の3つの因子を培地に加えて共培養することにより、NMJの形成効率があがることを示す実験結果を示す図である。FIG. 1 shows experimental results indicating that in Reference Experimental Example 1, when cell line-derived skeletal muscle cells and motor neurons are co-cultured to form NMJs, the efficiency of NMJ formation is increased by adding three factors, agrin, glutamic acid, and dihydrotestosterone (DHT), to the medium and co-culturing the cells. 参考実験例2において、iPS細胞由来の骨格筋細胞と運動ニューロンを共培養してNMJを形成させる際、アグリン(Agrin)、グルタミン酸、ジヒドロテストステロン(DHT)の3つの因子を培地に加えて共培養することにより、NMJの形成効率があがることを示す実験結果を示す図である。This figure shows the experimental results in Reference Experimental Example 2, which show that when iPS cell-derived skeletal muscle cells and motor neurons are co-cultured to form NMJs, the efficiency of NMJ formation is increased by adding three factors, agrin, glutamic acid, and dihydrotestosterone (DHT), to the medium and co-culturing them. 参考実験例3において、骨格筋細胞と運動ニューロンとを共培養してNMJを形成させる際、骨格筋細胞でAChRεを発現させることにより、NMJの形成効率があがることを示す実験結果を示す図である。FIG. 13 shows experimental results indicating that when skeletal muscle cells and motor neurons are co-cultured to form NMJs in Reference Experimental Example 3, the efficiency of NMJ formation is increased by expressing AChRε in skeletal muscle cells.

以下、本発明の好ましい実施の形態につき、添付図面を用いて詳細に説明するが、必ずしもこれに限定するわけではない。なお、本発明の目的、特徴、利点、及びそのアイデアは、本明細書の記載により、当業者には明らかであり、本明細書の記載から、当業者であれば、容易に本発明を再現できる。以下に記載された発明の実施の形態及び具体的な実施例などは、本発明の好ましい実施態様を示すものであり、例示又は説明のために示されているのであって、本発明をそれらに限定するものではない。本明細書で開示されている本発明の意図並びに範囲内で、本明細書の記載に基づき、様々な改変並びに修飾ができることは、当業者にとって明らかである。 The preferred embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the attached drawings, but is not necessarily limited thereto. The objectives, features, advantages, and ideas of the present invention will be clear to those skilled in the art from the description in this specification, and those skilled in the art will be able to easily reproduce the present invention from the description in this specification. The embodiment and specific examples of the invention described below show preferred embodiments of the present invention, and are shown for illustrative or explanatory purposes, and do not limit the present invention thereto. It will be clear to those skilled in the art that various changes and modifications can be made based on the description in this specification within the intent and scope of the present invention disclosed in this specification.

==骨格筋細胞と、運動ニューロンとの共培養システム==
本明細書に開示の骨格筋細胞と運動ニューロンの共培養システムは、球脊髄性筋萎縮症の患者由来のiPS細胞を分化させた骨格筋細胞と健常者由来のiPS細胞を分化させた運動ニューロンの共培養システムである。この共培養は公知の方法で行うことができるが、本開示の共培養システムにおいては、テストステロンまたはそのアナログを含有する培地が用いられる。このテストステロンまたはそのアナログは、外因的に添加されたものであってもよい。ここで、テストステロンまたはそのアナログの濃度は、1-100nMであることが好ましく、3-30nMであることがより好ましく、10nMであることが最も好ましい。
==Co-culture system of skeletal muscle cells and motor neurons==
The co-culture system of skeletal muscle cells and motor neurons disclosed in the present specification is a co-culture system of skeletal muscle cells differentiated from iPS cells derived from a patient with spinal and bulbar muscular atrophy and motor neurons differentiated from iPS cells derived from a healthy individual. This co-culture can be performed by a known method, but in the co-culture system disclosed herein, a medium containing testosterone or an analog thereof is used. This testosterone or an analog thereof may be exogenously added. Here, the concentration of testosterone or an analog thereof is preferably 1-100 nM, more preferably 3-30 nM, and most preferably 10 nM.

本明細書で、テストステロンのアナログとは、アンドロゲン受容体のリガンドであって、生理的条件で、アンドロゲン受容体との解離定数が、10-5M以下、好ましくは10-6M以下、より好ましくは10-7M以下、さらに好ましくは10-8M以下、さらに好ましくは10-9M以下のものをいう。テストステロンのアナログには、例えば、シピオン酸テストステロン、デカン酸テストステロン、エナント酸テストステロン、イソカプロン酸テストステロン、フェニルプロピオン酸テストステロン、プロピオン酸テストステロン、ウンデカン酸テストステロン、アンドロステンジオン、4-アンドロステンジオン、5-アンドロステンジオン、アンドロステンジオール、5-アンドロステンジオール、4-アンドロステンジオール、デヒドロエピアンドロステロン、ナンドロロン、ジヒドロテストステロン、エチオコラノロン、メチルテストステロン、アンドロステロン、エピアンドロステロン、17α-エチルテストステロン及びフルオキシメステロンが挙げられるが、ジヒドロテストステロンが好ましい。 As used herein, a testosterone analog refers to a ligand for the androgen receptor, which has a dissociation constant with the androgen receptor under physiological conditions of 10 −5 M or less, preferably 10 −6 M or less, more preferably 10 −7 M or less, even more preferably 10 −8 M or less, and even more preferably 10 −9 M or less. Examples of testosterone analogs include testosterone cypionate, testosterone decanoate, testosterone enanthate, testosterone isocaproate, testosterone phenylpropionate, testosterone propionate, testosterone undecanoate, androstenedione, 4-androstenedione, 5-androstenedione, androstenediol, 5-androstenediol, 4-androstenediol, dehydroepiandrosterone, nandrolone, dihydrotestosterone, etiocholanolone, methyltestosterone, androsterone, epiandrosterone, 17α-ethyltestosterone, and fluoxymesterone, with dihydrotestosterone being preferred.

本開示の共培養システムで用いる骨格筋細胞と、運動ニューロンの両方について、骨格筋細胞が由来する生物種と運動ニューロンが由来する動物種について、同じであっても異なっていてもよい。 For both the skeletal muscle cells and motor neurons used in the co-culture system of the present disclosure, the biological species from which the skeletal muscle cells are derived and the animal species from which the motor neurons are derived may be the same or different.

==SBMAのモデルシステム==
骨格筋細胞と運動ニューロンを共培養すると、アンドロゲン受容体遺伝子の遺伝子型の組み合わせがいずれの場合も、骨格筋細胞と運動ニューロンとで、神経筋接合部(NMJ)が形成される。しかし、例えば、変異型アンドロゲン受容体遺伝子を有しない骨格筋細胞と変異型アンドロゲン受容体遺伝子を有しない運動ニューロンの場合、正常な数と形状のNMJが形成されるが、変異型アンドロゲン受容体遺伝子を有する骨格筋細胞と変異型アンドロゲン受容体遺伝子を有しない運動ニューロンの場合、NMJの数の減少および運動ニューロンの細胞死が観察される。従って、この条件においては、NMJの数の減少および運動ニューロンの細胞死は、骨格筋細胞のアンドロゲン受容体遺伝子が責任遺伝子だと考えられる。そして、後者の系は、SBMAのモデルシステムになると考えられる。
==SBMA model system==
When skeletal muscle cells and motor neurons are co-cultured, neuromuscular junctions (NMJs) are formed between the skeletal muscle cells and motor neurons regardless of the combination of genotypes of the androgen receptor gene. However, for example, in the case of skeletal muscle cells without mutant androgen receptor genes and motor neurons without mutant androgen receptor genes, NMJs of normal number and shape are formed, but in the case of skeletal muscle cells with mutant androgen receptor genes and motor neurons without mutant androgen receptor genes, a decrease in the number of NMJs and cell death of motor neurons are observed. Therefore, under these conditions, the androgen receptor gene of skeletal muscle cells is considered to be the responsible gene for the decrease in the number of NMJs and cell death of motor neurons. The latter system is considered to be a model system for SBMA.

本開示の共培養システムでは、球脊髄性筋萎縮症の患者由来のiPS細胞を分化させた骨格筋細胞と健常者由来のiPS細胞を分化させた運動ニューロンが共培養される。これはSBMAのモデルシステムになるが、テストステロンまたはそのアナログを含有する培地を用いて共培養することによって、テストステロンまたはそのアナログを加えない場合に比較して、NMJの数が減少し、運動ニューロンの変性像や運動ニューロンの細胞死が観察されるようになり、SBMAのモデルシステムとして、より明瞭な表現型が再現されるようになる。 In the co-culture system disclosed herein, skeletal muscle cells differentiated from iPS cells derived from patients with spinal and bulbar muscular atrophy are co-cultured with motor neurons differentiated from iPS cells derived from healthy individuals. This is a model system for SBMA, and by co-culturing using a medium containing testosterone or an analogue thereof, the number of NMJs is reduced and motor neuron degeneration and cell death can be observed compared to when testosterone or an analogue is not added, reproducing a clearer phenotype as a model system for SBMA.

==骨格筋細胞==
本開示の共培養システムで用いる骨格筋細胞が由来する動物種は特に限定されず、ヒト、マウス、ラット、ブタなどの哺乳類であってもよいが、ヒトであることが好ましい。この骨格筋細胞は、iPS細胞やES細胞などの多能性幹細胞を骨格筋細胞にin vitroで分化させることによって製造される。多能性幹細胞は、多能性(pluripotency)を有していれば特に限定されないが、例えば、iPS細胞やES細胞が挙げられる。多能性幹細胞は、分化細胞から製造することができるという点で、iPS細胞であることが好ましい。iPS細胞が由来する動物種は特に限定されず、ヒト、マウス、ラット、ブタなどの哺乳類であってもよいが、ヒトであることが好ましい。多能性幹細胞から骨格筋細胞への分化は、公知の方法を用いることができる(例えば、Tanaka A et al., PLoS One 2013, e61540)。
==Skeletal muscle cells==
The animal species from which the skeletal muscle cells used in the co-culture system of the present disclosure are derived is not particularly limited, and may be mammals such as humans, mice, rats, and pigs, but is preferably humans. The skeletal muscle cells are produced by in vitro differentiation of pluripotent stem cells such as iPS cells and ES cells into skeletal muscle cells. The pluripotent stem cells are not particularly limited as long as they have pluripotency, and examples of such pluripotent stem cells include iPS cells and ES cells. The pluripotent stem cells are preferably iPS cells in that they can be produced from differentiated cells. The animal species from which the iPS cells are derived is not particularly limited, and may be mammals such as humans, mice, rats, and pigs, but is preferably humans. The differentiation of pluripotent stem cells into skeletal muscle cells can be performed using known methods (e.g., Tanaka A et al., PLoS One 2013, e61540).

本開示の共培養システムで用いる骨格筋細胞は、アセチルコリン受容体(AChR)を発現していることが好ましい。アセチルコリン受容体は、内因的に発現していても、外因的に発現させてもよい。多能性幹細胞を分化させた場合はアセチルコリン受容体を発現しているので、外因的に発現させる必要はないが、発現レベルを高めるために、外因的に発現させてもよい。特に、多能性幹細胞を分化させた骨格筋細胞では、主に胎児型(AChRγ)のアセチルコリン受容体を発現しているが、成体型(AChRε)のアセチルコリン受容体を外因的に発現させてもよい。以下、アセチルコリン受容体を外因的に発現させる場合の詳細を述べる。 The skeletal muscle cells used in the co-culture system of the present disclosure preferably express acetylcholine receptors (AChR). The acetylcholine receptors may be expressed endogenously or exogenously. When pluripotent stem cells are differentiated, the acetylcholine receptors are expressed, so there is no need to express them exogenously, but they may be expressed exogenously to increase the expression level. In particular, skeletal muscle cells differentiated from pluripotent stem cells mainly express fetal acetylcholine receptors (AChRγ), but adult acetylcholine receptors (AChRε) may be expressed exogenously. Details of the case where the acetylcholine receptor is expressed exogenously are described below.

アセチルコリン受容体には、ニコチン性アセチルコリン受容体とムスカリン性アセチルコリン受容体の2種類があり、いずれを発現させてもよいが、骨格筋細胞では、生理的にはニコチン性アセチルコリン受容体Nが発現しているので、ニコチン性アセチルコリン受容体Nを発現させることが好ましい。ニコチン性アセチルコリン受容体Nは、α、β、δ、εの4種類のサブユニットからなる。ヒトにおいては、サブタイプとしてα1-7、α9-10、β1-4、γ、δ、εが存在し、これらがヘテロまたはホモ五量体を形成し、アセチルコリン受容体Nとなる。具体的には、サブユニットとしてγ(以下、AChRγと記す)を有する胎児型と、ε(以下、AChRεと記す)を有する成体型が存在し、どちらを発現させてもよいが、AChRεを発現させるのが好ましい。特に、iPS細胞を分化させて得られる骨格筋細胞の場合、主に胎児型サブユニット(AChRγ)を発現しているので、成体型サブユニット(AChRε)を外因的に発現させることが好ましい。それによって、骨格筋細胞を運動ニューロンと共培養したときのNMJの形成効率が上がる。Nが由来する動物種は特に限定されず、ヒト、マウス、ラット、ブタなどの哺乳類であってもよい。そして、Nが由来する動物種は発現させる細胞と同じ種であっても異なる種であってもよい。 There are two types of acetylcholine receptors, nicotinic acetylcholine receptors and muscarinic acetylcholine receptors, and either may be expressed, but in skeletal muscle cells, the nicotinic acetylcholine receptor NM is physiologically expressed, so it is preferable to express the nicotinic acetylcholine receptor NM . The nicotinic acetylcholine receptor NM is composed of four types of subunits, α, β, δ, and ε. In humans, there are subtypes α1-7, α9-10, β1-4, γ, δ, and ε, which form hetero- or homo-pentamers to become the acetylcholine receptor NM . Specifically, there are fetal types having γ (hereinafter referred to as AChRγ) as a subunit, and adult types having ε (hereinafter referred to as AChRε), and either may be expressed, but it is preferable to express AChRε. In particular, in the case of skeletal muscle cells obtained by differentiating iPS cells, the fetal type subunit (AChRγ) is mainly expressed, so it is preferable to exogenously express the adult type subunit (AChRε). This increases the efficiency of NMJ formation when skeletal muscle cells are co-cultured with motor neurons. The animal species from which NM is derived is not particularly limited, and may be a mammal such as human, mouse, rat, or pig. The animal species from which NM is derived may be the same as or different from the cell in which it is expressed.

本開示の共培養システムで用いる骨格筋細胞は、雄由来でも雌由来でもよい。アンドロゲン受容体遺伝子に関しては、雄の場合、変異型アレルを有するヘミ接合であるが、雌の場合、変異型アレルのホモ接合、または野生型アレルと変異型アレルのヘテロ接合である。変異型アンドロゲン受容体遺伝子を有する骨格筋細胞は、アンドロゲン受容体遺伝子の野生型アレルと変異型アレルを有するヘテロ接合体(雌)、変異型アレルのホモ接合体(雌)、または変異型アレルを有するヘミ接合体(雄)から多能性幹細胞を単離して骨格筋細胞に分化させて作製される。あるいは、野生型アレルのホモ接合体(雌)または野生型アレルを有するヘミ接合体(雄)から多能性幹細胞を単離し分化させて作製した骨格筋細胞に、外因的に変異型アンドロゲン受容体遺伝子を導入することで、変異型アンドロゲン受容体遺伝子を有する骨格筋細胞を作製してもよいが、多能性幹細胞に外因的に変異型アンドロゲン受容体遺伝子を導入した後で骨格筋細胞に分化誘導してもよい。あるいは、変異型アンドロゲン受容体遺伝子を導入したトランスジェニック動物から、多能性幹細胞を単離して骨格筋細胞に分化させて作製してもよい。 The skeletal muscle cells used in the co-culture system of the present disclosure may be derived from either males or females. With regard to the androgen receptor gene, in the case of males, the cells are hemizygous with a mutant allele, while in the case of females, the cells are homozygous with a mutant allele, or heterozygous with a wild-type allele and a mutant allele. Skeletal muscle cells having a mutant androgen receptor gene are produced by isolating pluripotent stem cells from a heterozygote (female) having a wild-type allele and a mutant allele of the androgen receptor gene, a homozygote (female) having a mutant allele, or a hemizygote (male) having a mutant allele, and differentiating the pluripotent stem cells into skeletal muscle cells. Alternatively, skeletal muscle cells having a mutant androgen receptor gene may be produced by exogenously introducing a mutant androgen receptor gene into skeletal muscle cells produced by isolating and differentiating pluripotent stem cells from a homozygote (female) having a wild-type allele or a hemizygote (male) having a wild-type allele, or by exogenously introducing a mutant androgen receptor gene into pluripotent stem cells and then inducing differentiation into skeletal muscle cells. Alternatively, pluripotent stem cells can be isolated from transgenic animals that have been introduced with a mutant androgen receptor gene and differentiated into skeletal muscle cells.

なお、本開示において、野生型アンドロゲン受容体遺伝子とは、内在遺伝子としてそのアリルを有するヘミ接合体(雄)において、球脊髄性筋萎縮症(SBMA)を発症しないアンドロゲン受容体遺伝子のアレルのことをいい、CAGリピート数が通常36回以下であるが、37回であってもよい。変異型アンドロゲン受容体遺伝子とは、内在遺伝子としてそのアリルを有するヘミ接合体(雄)において、SBMAを発症する個体が有するアンドロゲン受容体遺伝子のアレルのことをいい、CAGリピート数が通常38回以上であるが、37回であってもよい。従って、ヒトの場合、アンドロゲン受容体遺伝子の変異型アレルを有するヘミ接合体(雄)は、SBMAを発症するか、将来発症する可能性のあるSBMA患者であり、野生型アレルを有するヘミ接合体(雄)は、SBMAを発症しない健常者である。 In the present disclosure, the wild-type androgen receptor gene refers to an allele of the androgen receptor gene that does not develop spinal-bulbar muscular atrophy (SBMA) in a hemizygote (male) having the allele as an endogenous gene, and the number of CAG repeats is usually 36 or less, but may be 37. The mutant androgen receptor gene refers to an allele of the androgen receptor gene that is possessed by an individual who develops SBMA in a hemizygote (male) having the allele as an endogenous gene, and the number of CAG repeats is usually 38 or more, but may be 37. Therefore, in the case of humans, a hemizygote (male) having a mutant allele of the androgen receptor gene is an SBMA patient who develops SBMA or may develop it in the future, and a hemizygote (male) having a wild-type allele is a healthy person who does not develop SBMA.

==運動ニューロン==
本開示の共培養システムで用いる運動ニューロンが由来する動物種は特に限定されず、ヒト、マウス、ラット、ブタなどの哺乳類であってもよいが、ヒトであることが好ましい。運動ニューロンは、iPS細胞やES細胞などの多能性幹細胞を運動ニューロンに分化させることによって製造される。多能性幹細胞は、多能性(pluripotency)を有していれば特に限定されないが、例えば、iPS細胞やES細胞が挙げられる。多能性幹細胞は、分化細胞から製造することができるという点で、iPS細胞であることが好ましい。iPS細胞が由来する動物種は特に限定されず、ヒト、マウス、ラット、ブタなどの哺乳類であってもよいが、ヒトであることが好ましい。多能性幹細胞から運動ニューロンへの分化は、公知の方法を用いることができる(例えば、Shimojo et al., Mol.Brain 2015, vol.8 Article No. 79)。
==Motor neuron==
The animal species from which the motor neurons used in the co-culture system of the present disclosure are derived is not particularly limited, and may be mammals such as humans, mice, rats, and pigs, but is preferably humans. The motor neurons are produced by differentiating pluripotent stem cells such as iPS cells and ES cells into motor neurons. The pluripotent stem cells are not particularly limited as long as they have pluripotency, and examples of such pluripotent stem cells include iPS cells and ES cells. The pluripotent stem cells are preferably iPS cells in that they can be produced from differentiated cells. The animal species from which the iPS cells are derived is not particularly limited, and may be mammals such as humans, mice, rats, and pigs, but is preferably humans. The differentiation of pluripotent stem cells into motor neurons can be performed using a known method (for example, Shimojo et al., Mol.Brain 2015, vol.8 Article No. 79).

本開示の共培養システムで用いる運動ニューロンは、雄由来でも雌由来でもよい。アンドロゲン受容体遺伝子に関しては、雄の場合、野生型アレルを有するヘミ接合であり、雌の場合、野生型アレルのホモ接合である。従って、変異型アンドロゲン受容体遺伝子を有さない運動ニューロンは、野生型アレルのホモ接合体(雌)または野生型アレルを有するヘミ接合体(雄)から多能性幹細胞を単離し分化させて作製される。 The motor neurons used in the co-culture system of the present disclosure may be of male or female origin. With respect to the androgen receptor gene, males are hemizygous for the wild-type allele, and females are homozygous for the wild-type allele. Thus, motor neurons that do not have a mutant androgen receptor gene are produced by isolating and differentiating pluripotent stem cells from homozygotes (females) for the wild-type allele or hemizygotes (males) for the wild-type allele.

(実施例1)
本実施例では、変異型アンドロゲン受容体を有する骨格筋細胞を、運動ニューロンと共培養する際、DHTを含有する培地を用いることによって、神経変性が促進され、より良いSBMAのモデルシステムとなることを示す。
Example 1
In this example, we demonstrate that when skeletal muscle cells with mutant androgen receptors are co-cultured with motor neurons, the use of a medium containing DHT promotes neurodegeneration, providing a better model system for SBMA.

まず、SBMA疾患患者からiPS細胞を以下のようにして樹立した(Shimojo et al., Mol.Brain 2015, vol.8 Article No. 79; Onodera et al., Mol.Brain 2020, vol.13 Article No. 18)。 First, iPS cells were established from SBMA patients as follows (Shimojo et al., Mol.Brain 2015, vol.8 Article No. 79; Onodera et al., Mol.Brain 2020, vol.13 Article No. 18).

SBMA疾患患者の真皮から線維芽細胞を回収した。10%FBS含有DMEMで培養し、6×10個の細胞に対し、pCXLE-hOCT3/4-shp53 (OCT4 and shTP53)、pCXLE-hSK (SOX2 and KLF4) 及びpCXLE-hUL (L-MYC and LIN28; 京都大学 山中伸弥教授より提供)各1μgをNeon transfection system (Thermo Fisher Scientific, USA)を用いてトランスフェクトした。6日後、細胞を回収し、SNL線維芽細胞のフィーダー細胞上に播種した。翌日、ヒトESC用培地(20% KSR(Thermo Fisher Scientific, USA)、2mM L-グルタミン、1% NEAA(Sigma-Aldrich, USA)、0.1mM βメルカプトエタノール(Sigma-Aldrich, USA)、4ng/mL 組換えFGF-2(Peprotech, USA)含有DMEM/F12)に交換し、培養を続けた。コロニーが十分大きくなった時、コロニーを単離し、増殖させた。 Fibroblasts were harvested from the dermis of SBMA patients. They were cultured in DMEM containing 10% FBS, and 6 × 105 cells were transfected with 1 μg each of pCXLE-hOCT3/4-shp53 (OCT4 and shTP53), pCXLE-hSK (SOX2 and KLF4), and pCXLE-hUL (L-MYC and LIN28; provided by Professor Shinya Yamanaka, Kyoto University) using the Neon transfection system (Thermo Fisher Scientific, USA). After 6 days, the cells were harvested and seeded on SNL fibroblast feeder cells. The next day, the medium was replaced with human ESC medium (DMEM/F12 containing 20% KSR (Thermo Fisher Scientific, USA), 2 mM L-glutamine, 1% NEAA (Sigma-Aldrich, USA), 0.1 mM β-mercaptoethanol (Sigma-Aldrich, USA), and 4 ng/mL recombinant FGF-2 (Peprotech, USA)) and culture was continued. When the colonies became large enough, they were isolated and expanded.

このようにして得られたiPS細胞にViaFectTM Transfection Reagent(promega)を用いてTransposaseとともに薬剤誘導性MyoDベクターを導入した。ネオマイシン(G418)により選択しクローンを樹立することによって、薬剤誘導性MyoDを恒常的に発現するヒトiPS細胞であるMyoD-hiPSCsを作製した。こうして得られたMyoD-hiPSCsを骨格筋細胞に分化誘導した。具体的には、以下の通りである。StemFit AK02N (Takara, Japan)を用いて培養されている409B2 MyoD-hiPSCsをアキュターゼを用いて解離し、Matrigel (BD Biosciences)でコートしたディッシュに、StemFit+Y27632の培地を用い、フィーダー細胞なしに2x10個/cmの密度で播種した(この日を培養0日目とする)。培養1日目に、FGF-2を含有せず10mM Y-27632 (Wako)を含有するhESC培地に交換した。培養2日目に、1μg/mL ドキシサイクリンを培地に添加した。培養3日目に、培地を10% KSR(Invitrogen), 2% Ultroser G、及び100mM βメルカプトエタノールを含有するαMEM(Nacalai Tesque)に交換した。培養7日目に、AεGをコードするDNA断片をレンチウイルスベクターに挿入して得られたレンチウイルスを得られた細胞に感染させてAεGを強制発現させた。その後、培地を2% ウマ血清(Sigma)、10ng/mL 組換えヒトinsulin-like growth factor-1 (R&D)、2mM Lグルタミンを含有するDMEMに交換し、さらに3日間培養して、骨格筋細胞を得た。 The drug-inducible MyoD vector was introduced into the iPS cells thus obtained together with Transposase using ViaFect TM Transfection Reagent (Promega). Human iPS cells that constitutively express drug-inducible MyoD, MyoD-hiPSCs, were produced by selecting with neomycin (G418) and establishing clones. The MyoD-hiPSCs thus obtained were induced to differentiate into skeletal muscle cells. Specifically, the procedure is as follows. 409B2 MyoD-hiPSCs cultured using StemFit AK02N (Takara, Japan) were dissociated using Accutase, and the cells were seeded on a dish coated with Matrigel (BD Biosciences) using StemFit + Y27632 medium at a density of 2 x 104 cells/ cm2 without feeder cells (this day was designated as day 0 of culture). On the first day of culture, the medium was replaced with hESC medium containing 10 mM Y-27632 (Wako) without FGF-2. On the second day of culture, 1 μg/mL doxycycline was added to the medium. On the third day of culture, the medium was replaced with αMEM (Nacalai Tesque) containing 10% KSR (Invitrogen), 2% Ultroser G, and 100 mM β-mercaptoethanol. On the seventh day of culture, the obtained cells were infected with a lentivirus obtained by inserting a DNA fragment encoding AεG into a lentivirus vector to forcibly express AεG. Thereafter, the medium was replaced with DMEM containing 2% horse serum (Sigma), 10 ng/mL recombinant human insulin-like growth factor-1 (R&D), and 2 mM L-glutamine, and the cells were cultured for another 3 days to obtain skeletal muscle cells.

次に、運動ニューロンを可視化するレポーター(HB9e438-b-glo-mRFP)を有するレンチウイルスを作製し、ヒトiPS細胞201B7(京都大学iPS細胞研究所、山中伸弥教授より分与)から分化させた運動ニューロンに導入した。なお、HB9e438-b-glo-mRFPを有するレンチウイルスは、438塩基対のHB9のエンハンサー(HB9e438)とヒトβグロビンのプロモーターによってVenus蛍光タンパク質を発現させるHB9e438-b-glo-Venus(HB9e438::Venus)レンチウイルス(Shimojo et al., Mol.Brain 2015, vol.8 Article No. 79)のVenusをmRFPに入れ替えることによって作製した。また、iPS細胞の運動ニューロンへの分化は以下のように行った(Shimojo et al., Mol.Brain 2015, vol.8 Article No. 79; Onodera et al., Mol.Brain 2020, vol.13 Article No. 18)。 Next, a lentivirus carrying a reporter (HB9 e438 -b-glo-mRFP) for visualizing motor neurons was prepared and introduced into motor neurons differentiated from human iPS cells 201B7 (provided by Professor Shinya Yamanaka, Institute for iPS Cell Research and Application, Kyoto University). The lentivirus carrying HB9 e438 -b-glo-mRFP was prepared by replacing Venus with mRFP in HB9 e438 -b-glo-Venus (HB9 e438 ::Venus) lentivirus (Shimojo et al., Mol.Brain 2015, vol.8 Article No. 79), which expresses Venus fluorescent protein using the 438 base pair HB9 enhancer (HB9 e438 ) and human β-globin promoter. In addition, differentiation of iPS cells into motor neurons was carried out as follows (Shimojo et al., Mol.Brain 2015, vol.8 Article No. 79; Onodera et al., Mol.Brain 2020, vol.13 Article No. 18).

iPS細胞を0.25% トリプシン-100μg/mL コラゲナーゼIV-1mM CaCl-20% KSRを含有した解離溶液でコロニーを剥がしてゼラチンコートディッシュに移し、hESC培地(20% KSR(Thermo Fisher Scientific, USA)、2mM L-グルタミン、1% NEAA(Sigma-Aldrich, USA)、0.1mM βメルカプトエタノール(Sigma-Aldrich, USA)、0.5%ペニシリン-ストレプトマイシン含有DMEM/F12)を培地に用いて1-2時間インキュベートすることによってフィーダー細胞を底面に落とした後、上清を回収して細菌培養用ディッシュを用いて浮遊培養した(この日を培養0日目とする)。培養1日目に培地を、hEB培地(5% KSR-2mM Lグルタミン-1% NEAA-0.1mM β-メルカプトエタノール-300nM LDN193189(Sigma-Aldrich, USA)-3μM SB431542 (Santa Cruz, USA)-3μM BIO (Sigma-Aldrich, USA)を含有するDMEM/F-12)に交換した。培養2日目に、さらに1μM レチノイン酸(Sigma-Aldrich, USA)を添加して培養した。培養4日目から14日目にかけて、1μM レチノイン酸及び1μM purmorphamine(Calbiochem, Germany)を含有したhEB培地を用い、2-3日に一度培地交換しながら培養した。培養14-15日目に形成したhEBを解離し、得られた細胞をマウス・ラミニン(Thermo Fisher Scientific, USA)でコートしたディッシュに5×10-1×10個/cmの密度で細胞を播種し、2% B27サプリメント(Thermo Fisher Scientific, USA)、1% NEAA、50nM RA、500nM purmorphamine、10μM cyclic AMP(cAMP)(Sigma-Aldrich, USA)、10ng/mL 組換えBDNF(R&D systems, USA)、10ng/mL 組換えGDNF(R&D systems, USA)、10ng/mL 組換えヒトIGF-1(R&D systems, USA)、200ng/mL アスコルビン酸(Sigma-Aldrich, USA)を添加したmedia hormone mix (MHM)培地またはKBM神経幹細胞培養用無血清培地 (Kohjin Bio, Japan)からなる運動ニューロン培地(motor neuron medium;MNM)で、1-4週間培養して作製した。なお、3-4日に一度、培地の半量を新鮮な培地に交換した。 Colonies of iPS cells were detached using a dissociation solution containing 0.25% trypsin, 100 μg/mL collagenase IV, 1 mM CaCl 2 , and 20% KSR, and transferred to a gelatin-coated dish. The dish was then incubated for 1-2 hours in hESC medium (DMEM/F12 containing 20% KSR (Thermo Fisher Scientific, USA), 2 mM L-glutamine, 1% NEAA (Sigma-Aldrich, USA), 0.1 mM β-mercaptoethanol (Sigma-Aldrich, USA), and 0.5% penicillin-streptomycin) to allow feeder cells to fall to the bottom. The supernatant was then collected and cultured in suspension using a bacterial culture dish (this day was designated day 0 of culture). On the first day of culture, the medium was replaced with hEB medium (DMEM/F-12 containing 5% KSR-2 mM L-glutamine-1% NEAA-0.1 mM β-mercaptoethanol-300 nM LDN193189 (Sigma-Aldrich, USA)-3 μM SB431542 (Santa Cruz, USA)-3 μM BIO (Sigma-Aldrich, USA)). On the second day of culture, 1 μM retinoic acid (Sigma-Aldrich, USA) was further added and cultured. From the fourth to the fourteenth day of culture, the cells were cultured in hEB medium containing 1 μM retinoic acid and 1 μM purmorphamine (Calbiochem, Germany), with the medium being replaced once every 2-3 days. hEBs formed on days 14-15 of culture were dissociated, and the resulting cells were seeded at a density of 5×10 4 -1×10 5 cells/cm 2 on dishes coated with mouse laminin (Thermo Fisher Scientific, USA). The cells were then cultured in a media hormone mix supplemented with 2% B27 supplement (Thermo Fisher Scientific, USA), 1% NEAA, 50 nM RA, 500 nM purmorphamine, 10 μM cyclic AMP (cAMP) (Sigma-Aldrich, USA), 10 ng/mL recombinant BDNF (R&D systems, USA), 10 ng/mL recombinant GDNF (R&D systems, USA), 10 ng/mL recombinant human IGF-1 (R&D systems, USA), and 200 ng/mL ascorbic acid (Sigma-Aldrich, USA). The cells were cultured for 1-4 weeks in motor neuron medium (MNM) consisting of MHM medium or serum-free medium for KBM neural stem cell culture (Kohjin Bio, Japan). Half of the medium was replaced with fresh medium every 3-4 days.

以上のようにして得られた骨格筋細胞と運動ニューロンの共培養では、培地はMNMを用い、AChRε-GFPをマーカーとする筋終板及びmRFPをマーカーとする運動ニューロンを、DHTの有無で比較したところ、DHTの存在下で、神経変性像が有意に増加し、RFP陽性の運動ニューロン1個あたりの筋終板の個数(図では矢印で示されている)の数が有意に減少した(図1A、B)。また、骨格筋細胞の状態を調べるためにMHC(ミオシン重鎖)の抗体で染色したところ、SBMA患者由来の骨格筋細胞は、SBMA疾患を発症しない健常人由来の骨格筋細胞と何ら変化がなかった(図1A、C)。一方、神経変性像において変性した神経の数を定量したところ、DHT存在下では、非存在下に比べて運動ニューロンの神経変性像が増加していた(図1D)。また、Cleaved Caspase-3による免疫染色でも、患者由来骨格筋を用いた場合、DHT存在下では、非存在下に比べて運動ニューロンの細胞死が亢進していた(図1E)。このような表現型は、変異型アンドロゲン受容体遺伝子を有しないiPS細胞から分化した骨格筋と、本実施例のmRFPを有する運動ニューロンと共培養した際には観察されなかった。このように、変異型アンドロゲン受容体遺伝子を有する骨格筋細胞を、運動ニューロンと共培養する際、DHTを含有する培地を用いることによって、神経変性が促進され、より良いSBMAのモデルシステムとなる。 In the co-culture of skeletal muscle cells and motor neurons obtained as described above, the medium was MNM, and the muscle endplates markerred by AChRε-GFP and the motor neurons markerred by mRFP were compared in the presence or absence of DHT. In the presence of DHT, the neurodegeneration images significantly increased, and the number of muscle endplates (indicated by arrows in the figure) per RFP-positive motor neuron significantly decreased (Figure 1A, B). In addition, when stained with an antibody against MHC (myosin heavy chain) to examine the state of skeletal muscle cells, there was no difference between skeletal muscle cells derived from SBMA patients and those derived from healthy individuals without SBMA disease (Figure 1A, C). On the other hand, when the number of degenerated nerves in the neurodegeneration images was quantified, the neurodegeneration images of motor neurons were increased in the presence of DHT compared to the absence of DHT (Figure 1D). Furthermore, immunostaining with cleaved caspase-3 showed that when patient-derived skeletal muscle was used, cell death of motor neurons was enhanced in the presence of DHT compared to when DHT was not present (Figure 1E). This phenotype was not observed when skeletal muscle differentiated from iPS cells that did not have the mutant androgen receptor gene was co-cultured with motor neurons having mRFP in this example. Thus, when skeletal muscle cells with the mutant androgen receptor gene were co-cultured with motor neurons, neurodegeneration was promoted by using a medium containing DHT, making it a better model system for SBMA.

(参考実験例1)
本実験例では、細胞株由来の骨格筋細胞と運動ニューロンを共培養してNMJを形成させる際、アグリン(Agrin)、グルタミン酸、ジヒドロテストステロン(DHT)の3つの因子を培地に加えて共培養することにより、NMJの形成効率があがることを示す。
(Reference Experimental Example 1)
In this experimental example, when NMJs are formed by co-culturing skeletal muscle cells derived from a cell line with motor neurons, it is shown that the efficiency of NMJ formation is increased by adding three factors, agrin, glutamic acid, and dihydrotestosterone (DHT), to the culture medium during co-culturing.

まず、成体型のアセチルコリン受容体のサブユニットAChRεとGFPの融合タンパク質(AChRε-GFP;AεG)をコードするDNA断片(Gensler S et al., Eur J Biochem 2001, vol.268 pp.2209-2217)を、PiggyBacベクターに挿入して得られた発現ベクターを、Gene Juice (Merck Millipore)を用いて、Transposaseとともにヒト筋芽細胞株(Hu5/E18)に導入した。ブラストサイジンSにより選択し、細胞株を樹立することによって、成体型のアセチルコリン受容体を恒常的に発現するヒト筋芽細胞株(Hu5/E18-AεG)を作製した。 First, a DNA fragment (Gensler S et al., Eur J Biochem 2001, vol.268 pp.2209-2217) encoding a fusion protein of the adult acetylcholine receptor subunit AChRε and GFP (AChRε-GFP; AεG) was inserted into a PiggyBac vector to obtain an expression vector, which was then introduced into a human myoblast cell line (Hu5/E18) together with Transposase using Gene Juice (Merck Millipore). A human myoblast cell line (Hu5/E18-AεG) that constitutively expresses the adult acetylcholine receptor was created by selecting the cells with blasticidin S and establishing a cell line.

次に、実施例1と同じ方法で形成したhEB(human embryoid body)をTrypLE Select (Thermo Fisher Scientific, USA)を用いて単一細胞に解離した。この細胞には、運動ニューロンおよび運動ニューロン前駆細胞が含まれる。 Next, human embryoid bodies (hEBs) formed in the same manner as in Example 1 were dissociated into single cells using TrypLE Select (Thermo Fisher Scientific, USA). These cells included motor neurons and motor neuron progenitor cells.

このようにして得られた筋芽細胞から誘導した骨格筋細胞と運動ニューロンおよび運動ニューロン前駆細胞を含む、hEBを解離して得られた細胞とを共培養した。培地は、MNMを用い、0.1pM アグリン(Agrin)、100μM グルタミン酸、10nM ジヒドロテストステロン(DHT)を含有した培地と含有しない培地を用いて、5%CO、37℃で3日間培養したあと、AεGに含まれるGFPをマーカーに、蛍光顕微鏡で筋終板の観察を行った(図2A)。HB9e438-b-glo-mRFPで標識された運動ニューロンの神経突起は、筋終板で発現しGFPで標識されるnAChRで骨格筋とコンタクトし、NMJを形成する。従って、NMJでは、骨格筋側では筋終板のマーカーであるnAChRのクラスタリングが観察され、そこに、HB9e438-b-glo-mRFPを発現する神経突起が接続するところが観察される。図2Aでは、NMJの形成が観察される部位を白の矢印で示した。また、RFP陽性の運動ニューロン1個あたりの筋終板の個数を算出し、グラフにした(図2B)。 Skeletal muscle cells induced from the myoblasts thus obtained were co-cultured with cells obtained by dissociating hEBs, including motor neurons and motor neuron precursor cells. The medium used was MNM, and the cells were cultured at 5% CO 2 and 37°C for 3 days using a medium containing 0.1 pM agrin, 100 μM glutamic acid, and 10 nM dihydrotestosterone (DHT) or not. The muscle endplate was then observed under a fluorescent microscope using GFP contained in AεG as a marker (Figure 2A). The neurites of motor neurons labeled with HB9 e438 -b-glo-mRFP contact skeletal muscle with nAChRs expressed at the muscle endplate and labeled with GFP, forming NMJs. Thus, at the NMJ, clustering of nAChR, a marker of muscle endplates, was observed on the skeletal muscle side, where neurites expressing HB9 e438 -b-glo-mRFP were observed to connect. In Figure 2A, the site where NMJ formation was observed is indicated by a white arrow. In addition, the number of muscle endplates per RFP-positive motor neuron was calculated and graphed (Figure 2B).

図2に示されるように、培地にこれら3つの因子を加えて共培養したほうが、NMJの形成効率が顕著に高かった。このように、骨格筋細胞と運動ニューロンを共培養する際、培地にこれら3つの因子を加えて共培養することにより、NMJの形成効率があがる。 As shown in Figure 2, the efficiency of NMJ formation was significantly higher when these three factors were added to the medium and co-cultured. Thus, when co-cultured with skeletal muscle cells and motor neurons, the efficiency of NMJ formation is increased by adding these three factors to the medium.

(参考実験例2)
参考実験例1では、細胞株由来の骨格筋細胞とhEBを解離して得られた細胞を共培養してNMJを形成させる際、アグリン(Agrin)、グルタミン酸、ジヒドロテストステロン(DHT)の3つの因子を培地に加えて共培養することにより、NMJの形成効率があがることを示したが、参考実験例2では、iPS細胞由来の骨格筋細胞を用いても、同様に、これら3因子を用いることで、NMJの形成効率が上がることを示す。
(Reference Experimental Example 2)
In Reference Experimental Example 1, it was shown that when NMJs are formed by co-culturing skeletal muscle cells derived from a cell line with cells obtained by dissociating hEBs, the efficiency of NMJ formation is increased by adding three factors, agrin, glutamic acid, and dihydrotestosterone (DHT), to the culture medium.In Reference Experimental Example 2, it is shown that the efficiency of NMJ formation is similarly increased by using these three factors when skeletal muscle cells derived from iPS cells are used.

まず、実施例1と同じ方法でヒトiPS細胞409B2 MyoD-hiPSCsを骨格筋細胞に分化誘導した。得られた骨格筋細胞に、AεGをコードするDNA断片をレンチウイルスベクターに挿入して得られたレンチウイルスを感染させてAεGを強制発現させた。 First, human iPS cells 409B2 MyoD-hiPSCs were induced to differentiate into skeletal muscle cells using the same method as in Example 1. The resulting skeletal muscle cells were infected with a lentivirus obtained by inserting a DNA fragment encoding AεG into a lentivirus vector, and AεG was forcibly expressed.

一方、201B7を、参考実験例1と同様にして、運動ニューロンおよび運動ニューロン前駆細胞に分化誘導した。 On the other hand, 201B7 was induced to differentiate into motor neurons and motor neuron progenitor cells in the same manner as in Reference Experimental Example 1.

これらの細胞を参考実験例1と同様に共培養した。すなわち、培地は、MNMを用い、0.1pM アグリン(Agrin)、100μM グルタミン酸、10nM ジヒドロテストステロン(DHT)を含有した培地と含有しない培地を用いて、5%CO、37℃で3日間培養したあと、RFP陽性の運動ニューロン1個あたりの筋終板の個数を算出し、グラフにした。 These cells were co-cultured in the same manner as in Reference Experimental Example 1. That is, the cells were cultured for 3 days at 5% CO 2 and 37° C. using MNM medium containing or not containing 0.1 pM agrin, 100 μM glutamic acid, and 10 nM dihydrotestosterone (DHT), and the number of muscle endplates per RFP-positive motor neuron was calculated and graphed.

図3に示されるように、参考実験例1と同様、iPS細胞由来の骨格筋細胞株を用いても、培地にこれら3つの因子を加えて共培養したほうが、NMJの形成効率が顕著に高かった。このように、骨格筋細胞と運動ニューロンを共培養する際、培地にこれら3つの因子を加えて共培養することにより、NMJの形成効率があがる。 As shown in Figure 3, even when using a skeletal muscle cell line derived from iPS cells, as in Reference Experimental Example 1, the efficiency of NMJ formation was significantly higher when co-cultured with these three factors added to the medium. Thus, when co-cultured skeletal muscle cells and motor neurons, the efficiency of NMJ formation is increased by adding these three factors to the medium.

(参考実験例3)
本実験例では、骨格筋細胞と運動ニューロンとを共培養してNMJを形成させる際、骨格筋細胞でAChRεを発現させることにより、NMJの形成効率があがることを示す。
(Reference Experimental Example 3)
In this experimental example, it is shown that when NMJs are formed by co-culturing skeletal muscle cells and motor neurons, the efficiency of NMJ formation is increased by expressing AChRε in skeletal muscle cells.

まず、薬剤誘導性MyoDを有するヒトiPS細胞である409B2 MyoD-hiPSCsを、実施例1と同じ方法で骨格筋細胞に分化誘導し、AεGを強制発現させた。 First, 409B2 MyoD-hiPSCs, human iPS cells with drug-inducible MyoD, were induced to differentiate into skeletal muscle cells using the same method as in Example 1, and AεG was forcibly expressed.

次に、このiPS細胞由来の骨格筋細胞を、参考実験例1で作製したiPS細胞由来の運動ニューロンおよび運動ニューロン前駆細胞と、共培養した。培地はMNMを用い、5%CO、37℃で共培養し、3日後に、HB9e438-b-glo-mRFPで標識した運動ニューロンを抗RFP抗体(MBL)で染色し、Alexa488結合αBTXを結合させ、蛍光顕微鏡で観察を行った(図4A)。また、RFP陽性の運動ニューロン1個あたりのNMJの個数を図4Bのグラフに表した。 Next, these iPS cell-derived skeletal muscle cells were co-cultured with the iPS cell-derived motor neurons and motor neuron precursor cells prepared in Reference Experimental Example 1. The medium used was MNM, and the cells were co-cultured at 5% CO 2 and 37°C. After 3 days, the motor neurons labeled with HB9 e438 -b-glo-mRFP were stained with anti-RFP antibody (MBL), bound with Alexa488-conjugated αBTX, and observed under a fluorescent microscope (Figure 4A). The number of NMJs per RFP-positive motor neuron is shown in the graph in Figure 4B.

図4に示されるように、AεGを発現させた骨格筋細胞を用いて共培養したほうが、NMJの形成効率が約4倍高かった。このようにiPS細胞由来の骨格筋細胞を運動ニューロンと共培養する際、骨格筋細胞でAChRεを発現させることにより、NMJの形成効率があがる。
As shown in Figure 4, the efficiency of NMJ formation was about four times higher when co-cultured with skeletal muscle cells expressing AεG. Thus, when iPS cell-derived skeletal muscle cells are co-cultured with motor neurons, the efficiency of NMJ formation is increased by expressing AChRε in the skeletal muscle cells.

Claims (6)

共培養されて神経筋接合部を形成した、球脊髄性筋萎縮症の患者由来のiPS細胞を分化させた骨格筋細胞と、iPS細胞を分化させた運動ニューロンと、を含む共培養システムであって、
テストステロンまたはそのアナログを含有する培地を含み
前記アナログは、アンドロゲン受容体のリガンドであって、アンドロゲン受容体との解離定数が10 -5 M以下である、共培養システム。
A co-culture system comprising skeletal muscle cells differentiated from iPS cells derived from a patient with spinal and bulbar muscular atrophy, the cells being co-cultured to form a neuromuscular junction , and motor neurons differentiated from iPS cells ,
A medium containing testosterone or an analog thereof,
A co-culture system in which the analog is a ligand for the androgen receptor and has a dissociation constant with the androgen receptor of 10 −5 M or less.
前記運動ニューロンが、健常者由来のiPS細胞を分化させたものである、請求項1に記載の共培養システム。The co-culture system according to claim 1 , wherein the motor neurons are differentiated iPS cells derived from a healthy individual. 前記運動ニューロンが、球脊髄性筋萎縮症の患者由来のiPS細胞を分化させたものである、請求項1に記載の共培養システム。The co-culture system according to claim 1 , wherein the motor neurons are differentiated iPS cells derived from a patient with spinal and bulbar muscular atrophy. 前記テストステロンまたはそのアナログは、外因的に前記培地に添加されたものである、請求項1~3のいずれか1項に記載の共培養システム。 The co-culture system according to any one of claims 1 to 3, wherein the testosterone or an analog thereof is exogenously added to the medium. 前記テストステロンのアナログは、シピオン酸テストステロン、デカン酸テストステロン、エナント酸テストステロン、イソカプロン酸テストステロン、フェニルプロピオン酸テストステロン、プロピオン酸テストステロン、ウンデカン酸テストステロン、アンドロステンジオン、4-アンドロステンジオン、5-アンドロステンジオン、アンドロステンジオール、5-アンドロステンジオール、4-アンドロステンジオール、デヒドロエピアンドロステロン、ナンドロロン、ジヒドロテストステロン、エチオコラノロン、メチルテストステロン、アンドロステロン、エピアンドロステロン、17α-エチルテストステロン及びフルオキシメステロンからなる群より選択される1以上の化合物である、請求項1~4のいずれか1項に記載の共培養システム。 The testosterone analog is one or more compounds selected from the group consisting of testosterone cypionate, testosterone decanoate, testosterone enanthate, testosterone isocaproate, testosterone phenylpropionate, testosterone propionate, testosterone undecanoate, androstenedione, 4-androstenedione, 5-androstenedione, androstenediol, 5-androstenediol, 4-androstenediol, dehydroepiandrosterone, nandrolone, dihydrotestosterone, etiocholanolone, methyltestosterone, androsterone, epiandrosterone, 17α-ethyltestosterone, and fluoxymesterone. The co-culture system according to any one of claims 1 to 4 . 前記骨格筋細胞が変異型アンドロゲン受容体遺伝子を有する、球脊髄性筋萎縮症のin vitroモデルシステムである、請求項1~5のいずれか1項に記載の共培養システム。 The co-culture system according to any one of claims 1 to 5 , which is an in vitro model system of spinal and bulbar muscular atrophy , wherein the skeletal muscle cells have a mutant androgen receptor gene .
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