小分子薬剤による再生心臓細胞の薬理学的誘導：新たな心筋再生戦略

Основные понятия

小分子薬剤の組み合わせであるCHIR99021とA-485（2C）は、心筋細胞（CM）を再生心臓細胞（RCC）に再プログラムすることで、損傷した心臓を修復するための有望な再生戦略を提供する可能性がある。

Аннотация

研究の背景

• ゼブラフィッシュなどの下等生物は、損傷した心臓を心筋細胞（CM）の脱分化によって再生する能力を持つが、哺乳類ではこの能力は限られている。
• 哺乳類の心臓発生において、CMは主に第一心臓野（FHF）と第二心臓野（SHF）から生じ、SHF細胞は、胚発生中に主要な心血管細胞であるCM、平滑筋細胞（SMC）、内皮細胞（EC）に分化することができる。
• 本研究では、CMに再生能力を持たせるために、CMにおけるISL1発現を誘導できる小分子を同定することに焦点を当てた。

研究方法

• ヒト胚性幹細胞（hESC）由来のCMを用いて、4,000種類以上の化合物からなるライブラリーをスクリーニングし、ISL1発現を誘導する小分子を探索した。
• 選択された化合物、CHIR99021とA-485（2C）の組み合わせを、hESC由来CM、新生児ラットCM、成体マウス心臓に適用し、RCC誘導効果を評価した。
• バルクRNAシーケンス、単一細胞RNAシーケンス、クロマチン免疫沈降シーケンスを用いて、2CによるCM再プログラミングの分子メカニズムを解析した。

研究結果

• 2C処理により、hESC由来CMにおいてISL1発現が効率的に誘導され、サルコメア構造の分解、細胞サイズの縮小、胚心臓発生遺伝子の発現増加など、脱分化に関連する表現型が認められた。
• 2C誘導RCCは、増殖能を有し、CM、SMC、ECの3つの主要な心血管細胞タイプに分化できることが明らかになった。
• Lineage tracing実験により、2C誘導RCCが実際にTNNT2+ CMから脱分化して生じたことが確認された。
• 新生児ラットCMにおいても、in vitroおよびin vivoの両方で同様の結果が得られ、2Cは内因性CMからRCCを誘導できることが示された。
• 2Cを成体マウス心臓に投与すると、心筋梗塞後の生存率が有意に向上し、心機能も改善した。
• CHIR99021は、RCC発生に不可欠な遺伝子の転写活性化とエピジェネティックな活性化に重要であり、A-485は、CMにおけるH3K27Ac、特にH3K9Acを抑制することが明らかになった。
• 2Cの相乗効果により、RCC遺伝子におけるこれらのヒストン修飾が促進され、CMからRCCへの移行が促進される。

結論

• 本研究は、小分子薬剤の組み合わせである2Cを用いて、内因性CMからRCCを薬理学的に誘導できることを実証した。
• 2C誘導RCCは、損傷した心臓を修復するための有望な再生戦略となる可能性があり、心疾患に対する再生療法の開発に新たな道を切り開くものである。

Статистика

2C処理により、ISL1+細胞の割合が顕著に増加し、ISL1の発現量はmRNAおよびタンパク質レベルで約3倍に増加した。
2C処理後、TNNT2+細胞数は一定に保たれたのに対し、ISL1+細胞数は顕著に増加した。
2C処理により、ISL1/mCherry陰性CMにおいて、4,485個の遺伝子プロモーターでH3K9Acが、2,560個の遺伝子プロモーターでH3K27Acが有意に増加した。
2C処理により、H3K9Acが豊富な5,891個の注釈付き遺伝子のうち、2,716個（46.1％）が2C処理された細胞でだけ濃縮されていることが明らかになった。一方、H3K27Acが豊富な10,785個の注釈付き遺伝子のうち、527個（4.9％）だけが排他的に観察された。

Цитаты

"This proof-of-concept discovery demonstrates that a simple combination of small molecule drugs can endow the mammalian heart with regenerative capacity by reprogramming CMs into RCCs."
"This study demonstrates that the synergistic interaction between these two molecules is essential for the reprogramming of endogenous CMs into RCCs."
"These insights contribute significantly to the understanding of cardiac lineage plasticity and highlight the therapeutic potential of induced multipotent cardiovascular progenitors for heart repair and regeneration."

Ключевые выводы из

Pharmacologically inducing regenerative cardiac cells by small molecule drugs

by Zhou,W., He,... в www.biorxiv.org 10-26-2023

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.10.24.563872v3

Дополнительные вопросы

2C処理によって誘導されたRCCの長期的な安定性と安全性は？

この論文では、2C処理によって誘導されたRCCの長期的な安定性と安全性については明確に言及されていません。論文では、2C処理後のマウスの生存率や心臓機能の改善が確認されていますが、これらの観察は最長でも35日間です。
長期的な安定性と安全性を評価するためには、以下のような研究が必要です。

長期的な追跡調査: 2C処理後のRCCの表現型、増殖能力、分化能力を、より長期にわたって追跡調査する必要があります。
腫瘍形成の可能性: RCCの長期的な安定性と安全性を評価する上で、腫瘍形成の可能性は重要な検討事項です。長期的な追跡調査において、腫瘍の発生率を注意深く監視する必要があります。
オフターゲット効果: 2C処理によるオフターゲット効果、すなわち心臓以外の臓器や組織への影響についても、長期的な観点から評価する必要があります。
これらの研究を通じて、2C処理による心臓再生療法の臨床応用に向けた、より詳細な情報が得られると期待されます。

2C処理による心臓再生効果は、他の動物モデル、特にヒトにおいても確認できるのか？

この論文では、2C処理による心臓再生効果が、ヒトiPS細胞由来心筋細胞、新生児ラット心筋細胞、そして成体マウスにおいて確認されています。これは、2C処理による心臓再生効果が、種を超えて共通のメカニズムで生じている可能性を示唆しています。
しかしながら、ヒトへの応用可能性を評価するためには、さらなる研究が必要です。

ヒト心筋細胞を用いたin vitro実験: ヒトiPS細胞由来心筋細胞を用いた実験系に加えて、ヒト心筋組織や心臓オルガノイドを用いた実験系を確立し、2C処理によるRCC誘導効果や心臓組織再生効果を検証する必要があります。
大型動物モデルを用いた前臨床試験: マウスよりもヒトに近い生理学的特徴を持つ、ブタやサルなどの大型動物モデルを用いた前臨床試験を実施し、2C処理の有効性と安全性を評価する必要があります。
これらの研究を通じて、2C処理による心臓再生療法のヒトへの応用可能性を、より正確に評価できると期待されます。

この研究で示されたCMの再プログラミング技術は、他の臓器や組織の再生にも応用できるのか？

この研究で示されたCMの再プログラミング技術は、他の臓器や組織の再生にも応用できる可能性があります。

共通の分子メカニズム: 多くの臓器や組織において、発生過程で重要な役割を果たす転写因子やシグナル伝達経路が共通して存在します。ISL1やWntシグナルは、心臓だけでなく、他の臓器や組織の発生にも関与していることが知られています。
エピジェネティックな制御: エピジェネティックな制御は、細胞の運命決定において重要な役割を果たしており、様々な細胞種への分化を制御できる可能性があります。
しかしながら、他の臓器や組織への応用には、いくつかの課題も存在します。

臓器特異的な環境: 各臓器や組織は、それぞれ特有の細胞外マトリックスや細胞間相互作用からなる微小環境を持っています。そのため、心臓で有効な再プログラミング技術が、そのまま他の臓器や組織に適用できるとは限りません。
安全性: 再プログラミング技術の応用には、腫瘍形成などのリスクが伴う可能性があります。他の臓器や組織に適用する際には、安全性に関する詳細な検討が必要です。
これらの課題を克服することで、この研究で示されたCMの再プログラミング技術は、他の臓器や組織の再生医療においても、新たな治療法開発の基盤となる可能性を秘めています。