オルガノイドは現在、歯を損傷や虫歯から守る物質である歯のエナメル質を形成するタンパク質を分泌する幹細胞から作られています。 シアトルにあるワシントン大学の学際的な科学者チームがこの取り組みを主導しました。

「これは、損傷した歯を修復し、失われた歯を再生するための幹細胞ベースの治療法を開発するという私たちの長期目標への重要な第一歩です」と、ワシントン大学歯学部の修復歯科教授であり、コ–研究を説明した論文の著者。

調査結果は本日雑誌に掲載されます 発生細胞。 ウィスコンシン大学医学部生化学教室のハンネレ・ルオホラ・ベイカー研究室の大学院生、アンマー・アルガディア氏がこの論文の筆頭著者であった。 この研究室は、UW Medicine Institute for Stem Cell and Regenerative Medicineと提携しています。

研究者らは、歯のエナメル質は咀嚼によって生じる機械的ストレスから歯を保護し、虫歯に抵抗するのに役立っていると説明した。 人体の中で最も硬い組織です。

エナメル質は歯の形成中にアメロバストと呼ばれる特殊な細胞によって作られます。 歯の形成が完了すると、これらの細胞は死滅します。 その結果、身体には損傷したエナメル質を修復または再生する方法がなくなり、歯が破損しやすくなったり、喪失しやすくなったりする可能性があります。

研究室でエナメル芽細胞を作製するには、研究者らはまず、胎児幹細胞をこれらの高度に特殊化したエナメル質生成細胞に発達させる遺伝的プログラムを理解する必要がありました。

これを行うために、彼らは、細胞の発生のさまざまな段階でどの遺伝子が活性であるかを明らかにする、単一細胞コンビナトリアルインデックスRNAシーケンス（sci-RNA-seq）と呼ばれる技術を使用しました。

これが可能なのは、メッセンジャー RNA (mRNA) と呼ばれる RNA 分子が、活性化された遺伝子の DNA にコード化されたタンパク質への指示を、タンパク質を組み立てる分子機械に伝えるためです。 細胞の発生のさまざまな段階での mRNA レベルの変化により、各段階でどの遺伝子がオンになっているのか、どの遺伝子がオフになっているのかがわかるのはこのためです。

人間の歯の発達のさまざまな段階にある細胞に対して sci-RNA-seq を実行することで、研究者らは各段階での遺伝子活性化の一連のスナップショットを取得することができました。 次に、Monocle と呼ばれる高度なコンピューター プログラムを使用して、未分化幹細胞が完全に分化したエナメル芽細胞に成長するときに発生する遺伝子活性の可能性のある軌跡を構築しました。

「コンピュータープログラムは、ここからそこへ行く方法、ロードマップ、エナメル芽細胞を構築するために必要な青写真を予測します」とプロジェクトを率いたルオホラ・ベイカー氏は語った。 彼女は生化学の教授であり、カリフォルニア大学医学部幹細胞・再生医学研究所の副所長でもあります。

この軌道を計画し、研究者らは多くの試行錯誤を経て、未分化のヒト幹細胞を誘導してエナメル芽細胞にすることに成功した。 彼らは、sci-RNA-seq データによって明らかにされた経路を模倣したシーケンスでさまざまな遺伝子を活性化することが知られている化学シグナルに幹細胞をさらすことによってこれを行いました。 場合によっては、既知の化学シグナルを使用しました。 他のケースでは、カリフォルニア大学医学研究所タンパク質設計研究所の協力者が、効果を高めたコンピュータ設計のタンパク質を作成しました。

このプロジェクトの実施中に、科学者らは歯芽細胞下細胞と呼ばれる別の細胞型も初めて特定した。これは歯の形成に重要な細胞型である象牙芽細胞の前駆体であると考えられている。

研究者らは、これらの細胞型を一緒に誘導して、オルガノイドと呼ばれる小さな三次元の多細胞ミニ臓器を形成できることを発見した。 これらは、人間の歯の発達に見られるものと同様の構造に組織化され、XNUMX つの必須エナメルタンパク質、アメロブラスチン、アメロゲニン、エナメルを分泌しました。 これらのタンパク質はマトリックスを形成します。 必要な硬度を備えたエナメル質を形成するために不可欠な石化プロセスが続きます。

張氏によると、研究チームは現在、天然の歯に見られる耐久性に匹敵するエナメル質を製造するプロセスを改良し、このエナメル質を使って損傷した歯を修復する方法を開発したいと考えているという。 XNUMX つのアプローチは、空洞やその他の欠陥を埋めるために使用できるエナメル質を研究室で作成することです。

Ruohola-Baker 氏は、もう XNUMX つのより野心的なアプローチは、虫歯やその他の欠陥に成長して修復できる「生きた詰め物」を作成することであると指摘しています。 最終的な目標は、失われた歯を完全に置き換えることができる幹細胞由来の歯を作成することです。

Ruohola-Baker氏は、歯は他の幹細胞療法の開発に取り組むための理想的なモデルであると述べた。

 「人間の膵臓、腎臓、脳など、私たちが置換できるようにしたい臓器の多くは大きくて複雑です。 幹細胞から安全に再生するには時間がかかります」と彼女は言う。 「一方、歯ははるかに小さく、それほど複雑ではありません。 おそらくそれらは簡単に実現できる成果でしょう。 それらを再生成できるまでにはしばらく時間がかかるかもしれませんが、そこに到達するために必要な手順が見えてきました。」

彼女は、「これはついに『生きた詰め物の世紀』、そして人間の再生歯科医療全般が到来するかもしれない。」と予測しています。

ウィスコンシン大学歯学部口腔健康科学科の研究者に加えて、ウィスコンシン大学ブロットマン・ベイティ研究所、ウィスコンシン大学アレン・コンピュータ・サイエンス・アンド・エンジニアリング・スクール、シアトル児童研究所、幹細胞・再生医学研究所、タンパク質設計研究所、カリフォルニア大学工学部工学部 生物工学（カリフォルニア大学工学部と医学部の共同部門）、生化学、比較医学、小児科、ゲノム科学、これらはすべてカリフォルニア大学医学部にあり、インド、チェンナイの SRM 科学技術研究所の全員がこの研究に貢献しました。

この研究は、米国国立衛生研究所 (1P01GM081619、R01GM097372、R01GM97372-03S1、R01GM083867、5R24HD000836、T90DE021984、R01DE033016、U01DK127553、R01DK117914) からの資金提供によって支援されました。国立心肺血液研究所前駆細胞生物学コンソーシアム (U01HL099997; UO1HL099993)、ユーニス・ケネディ・シュライバー国立成育医療人間開発研究所、カリフォルニア大学医学部幹細胞・再生医学フェローシップ、およびダグラス L. モレル博士研究基金。 幹細胞・再生医学研究所のゲノミクスコアで行われた研究は、ジョン・H・ティーツェ財団からの寄付によって支援されました。