幹細胞療法の可能性は、移植した幹細胞の生存率が低いことや、損傷した組織を修復または置換するために必要な細胞種へと分化を精密に制御できないことにより、制限されることが多い。この課題に取り組むチームを率いたのは、 デイビッド・マルーニー（David Mooney）、 ハーバード大学の中核教員であり、 Wyss Institute、 に所属する研究チームは、今回、移植した幹細胞の生存率を高め、その細胞分化に影響を与えることで、骨修復を実験的に改善する戦略を開発した。この手法では、幹細胞を多孔質で移植可能なヒドロゲルに埋め込む。
マルーニーに加え、チームにはWyss Instituteの準教員（associate faculty member）であり、ベルリンのCharité – Universitätsmedizinにあるユリウス・ヴォルフ生体力学・筋骨格再生研究所の所長を務めるゲオルク・ドゥーダ（Georg Duda）、およびWyss Instituteの創設ディレクターであるドナルド・インガー（Donald Ingber）が参加した。チームは研究成果を本日発行のNature Materials誌に発表した。マルーニーはまた、生物工学のロバート・P・ピンカス・ファミリー教授を務めており、所属は Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciencesである。
幹細胞療法には、多くの組織や骨の修復、さらには臓器の置換に役立つ可能性がある。現在では、組織特異的な幹細胞を実験室で作製することも可能になっている。しかし、実験室でどれほどよく増殖したとしても、幹細胞は移植後も生存し、適切に機能しなければならない。その条件を満たすことは、研究者にとって大きな課題となってきた。
マルーニーのチームおよび他の研究者らは、幹細胞の生存、増殖、組織への成熟を促すための特定の化学的・物理的な手がかりを、幹細胞ニッチ（他の細胞種や環境要因の支えを受けて幹細胞が生存し、発達する領域）から明らかにしてきた。化学シグナルが幹細胞の挙動を制御する仕組みは次第に理解されつつあるが、幹細胞ニッチの力学的特性についてはまだはるかに知られていない。しかし、実験室で培養された骨、軟骨、筋肉に存在する幹細胞などは、増殖と成熟のために定められた弾性と硬さを持つ物理的基質を必要とする、すなわち力学感受性を持つことが分かっている。
「これまで、こうした物理的影響を実際の再生プロセスを推進するために効率的に活用することはできていなかった」と、マルーニーのもとで研究に取り組み、本研究の筆頭著者である大学院生のネイサニエル・ヒューブシュ（Nathaniel Huebsch）は述べた。「幹細胞の力学感受性に関する我々の経験に基づき、骨再生の最初のモデルにおいて、適切な化学的・力学的な手がかりを生み出すためにヒドロゲルを活用できると仮定した」
性質が大きく異なる、水で満たされた2種類のヒドロゲルが、マルーニーのチームの手法の鍵となる。より安定し長期間持続する「バルクゲル」には、「ポロゲン」と呼ばれる第2のゲルの小さな気泡が充填されており、このポロゲンは非常に速い速度で分解され、多孔質の空洞を残す。
バルクゲルに、真の幹細胞ニッチの細胞外環境に由来する小さな「ペプチド」を結合させ、組織特異的な幹細胞の一種およびポロゲンと混合することで、チームは骨形成を行う人工ニッチを作り出すことができる。バルクゲルは、幹細胞の増殖と成熟を促すのに適切な弾性と関連する化学シグナルを提供する一方、ポロゲンは徐々に分解され、幹細胞が広がる開放空間を残す。幹細胞はその空間で増殖した後、ゲル構造の外へ自然に移動し、実際の鉱化骨組織を形成する。
これまでに実施された小動物実験において、研究者らは、適切な化学的・弾性的特性を持つ空洞形成ヒドロゲルが、幹細胞のみを移植する場合よりも優れた骨再生をもたらすことを示した。さらに注目すべきは、ヒドロゲルによって導入された成熟中の幹細胞が、近傍の内在性幹細胞にも骨修復への寄与を促し、その再生効果をさらに増幅させることである。
「本研究は、生体材料の物理的特性が、幹細胞の送達を助けるだけでなく、in vivoでその挙動を調整しうることを初めて実証したものです」とマルーニーは述べた。「これまでは骨形成の制御に注力してきましたが、我々のヒドロゲルの概念は他の再生プロセスにも広く応用できると考えています」
この学際的な共同研究は、米国国立科学財団（NSF）の助成を受けているハーバード大学材料研究科学・工学センター（MRSEC）の支援を受けた。
「これはMRSECプログラムの高い影響力を示す見事な実例です」と、NSFのプログラムディレクターであるダン・フィノテロ（Dan Finotello）は述べた。「MRSECは、経験や専門性の異なる複数の研究者を結集させ、科学をはるかに速いペースで前進させることを可能にしています。」
追加の資金は、米国国立衛生研究所、Belgian American Education Foundation、Einstein Foundation Berlin、Berlin-Brandenburg School for Regenerative Therapies、Harvard College Research Programから提供されたほか、NSF Graduate Research、Einstein Visiting、Harvard College PRISE、Herchel-Smith、Pechet Family Fund Fellowshipsからも提供された。
本記事は、 Harvard Gazetteと共同で掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムによる見解の支持を意味するものではありません。
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著者：ベンジャミン・ボットナー（Benjamin Boettner）およびKat J. McAlpineは、Wyss Instituteのコミュニケーション部門に所属しています。
写真：胚外幹細胞の専門家であるミコ・カピジッチ（Miko Kapidzic）は、2009年3月10日、サンフランシスコのカリフォルニア大学サンフランシスコ校にあるEli and Edythe Broad Center of Regeneration Medicine and Stem Cell Researchに勤務している。REUTERS/Robert Galbraith
