人間の臓器の3Dモデルの進歩

人間の臓器の三次元（3D）モデルは、病気がどのように進行するかを研究するのに役立ってるんだ。研究者たちは、肺や乳房などの様々な臓器のためにこれらのモデルを作成してきた。このインビトロモデルは、科学者が幹細胞の挙動や分子レベルでの制御を理解するのに役立つんだ。成人幹細胞（aSC）は特別で、さまざまな種類の細胞に発展できるけど、通常はその位置にある組織だけを作るから、単能（ひとつのタイプの細胞にしかなれない）か多能（いくつかのタイプの細胞になれる）に分類されるんだ。この制限により、aSCは体内のどんな細胞にも発展できる多能性細胞と比べて柔軟性が低いんだ。胚性幹細胞（ESC）のような多能性細胞は、すべての細胞タイプを生成する能力を持ってる。

研究によると、既知の幹細胞や前駆細胞のマーカーが豊富な一次細胞集団は、混合細胞集団よりも3D構造を形成するのが得意なんだ。乳房の幹細胞の発展には、いくつかの重要なプロセスが協力して働いていると考えられている。興味深いことに、通常の幹細胞が自己更新するのを助ける同じ分子経路が、腫瘍の中の癌幹細胞（CSCs）も支配しているという証拠が増えてきているんだ。CSCsは、ESCに見られるコアな多能性複合体の成分であるOCT4、SOX2、NANOGを含んでいる。これらの因子はCSCsの発展にとって必須なんだ。研究では、通常の人間の細胞と癌性細胞の両方でOCT4が報告されていて、SOX2はさまざまな悪性組織に、NANOGは乳がんや骨肉腫のような腫瘍に見られることがわかっている。さらに、SOX2が乳がん由来の腫瘍スフィアに現れる証拠もあるんだ。これらの発見は、成人乳房幹細胞が胚性幹細胞に似た特性を持つ細胞を含むかもしれないことを示唆している。ただし、成人幹細胞に幹細胞を特定するような遺伝子発現のパターンが似ているかどうかはまだ不明なんだ。

マイクロRNA（miRNA）は、遺伝子発現を調節する小さな分子で、幹細胞が自己更新し、他の細胞タイプに分化するのを制御する重要な役割があるんだ。1つの遺伝子は複数のmiRNAによって抑制されることがあるし、1つのmiRNAは複数の遺伝子をターゲットにできて、複雑な調節ネットワークを作るんだ。これらの分子は、重要な転写因子に影響を与えることで、さまざまな発展の段階で細胞のアイデンティティを調整するんだ。

miRNAが成人幹細胞にどのように影響を与えるかを理解するために、研究者たちは3D構造を形成する始まりの細胞をコントロールするものや、組織特異的な成長条件を改善する方法を探そうとしたんだ。3D構造は、個々の幹細胞や前駆細胞から来るから、ヒトの一次上皮細胞に対して機能的なmiRNAスクリーニングを行って、aSCから3D構造を作成し、拡張するための重要な因子を特定したんだ。この研究は、miR-106a-3pとそのターゲット遺伝子がこのプロセスの重要な役割を果たしていることを浮き彫りにした。miR-106a-3pを導入した細胞の遺伝的構成をプロファイルした結果、他の幹細胞や前駆細胞と似た特徴が示唆され、ESCに似た細胞とも共通する特徴があることがわかったんだ。

機能実験を通じて、研究者たちは、OCT4、SOX2、NANOGという3つのコアな転写因子が一次細胞から3D構造を生成するために必要であることを証明したんだ。さらに、miR-106a-3pがCBFB、NFYA、GATA3、RESTなどのいくつかの転写調節因子を通じて分化を微調整するメカニズムも特定したんだ。これらの調節因子は、aSCのような系統を維持する上で重要な役割を果たしているんだ。最終的に、結果は、miR-106a-3pがaSC由来の3D構造の成長をサポートする上での重要な役割を強調し、その発展の背後にある転写プロセスを明確にしたんだ。

#乳腺上皮と3D培養条件

乳腺上皮は、主に管状上皮細胞と筋上皮細胞からなるさまざまな細胞タイプで構成されている。適切な成長メディアと培養方法を選ぶことは、一次ヒト乳腺上皮細胞株の特性を定義するのに重要で、実験の結果に影響を与えるんだ。研究者たちは、ヒト乳腺上皮細胞バンクから有限の寿命を持つヒト乳腺上皮細胞（HMEC）を取り出し、前静止HMECの成長を支えることが知られているM87A型培地で培養したんだ。

M87A培地は、前静止HMECが最大60回の集団倍増まで成長でき、約8回のパッセージ、約30回の集団倍増相当の間、管状細胞を維持するんだ。M87Aで育った前静止HMECの多様性を確認するために、上皮系統マーカーの免疫染色を行ったんだ。研究者たちは、管状上皮前駆細胞（LEP）と筋上皮前駆細胞（MEP）の存在を確認した。さらに、正常および癌性ヒト乳腺幹細胞を示すためのアルデヒド脱水素酵素（ALDH）活性も調べて、正常な乳腺上皮細胞の約5.2％がALDH活性を示すことがわかったんだ。

これらの細胞の再生能力を調査するために、3Dマトリックス（Matrigel）に単一細胞播種を行ったところ、小さな球状構造が形成され、10日目には分岐するオルガノイドに変わったんだ。20日目には、構造が芽の形成と小葉の形成を示し、人間の乳腺組織に見られる機能的単位に似てきた。この3D培養条件下で、HMECは自己更新能力を維持し、3世代にわたって二次構造を作成することができたんだ。

#3D培養における乳腺上皮細胞特性の保持

3D Matrigelで育てたHMECが重要な乳腺構造的特性を維持しているか確認するために、研究者たちは共焦点顕微鏡を使って3D構造内での腔の形成を調べたんだ。個々の構造を監視すると、腔は培養10日目まで成長し続け、最大サイズに達したんだ。免疫染色した3D構造の分析は、これらが管状細胞と筋上皮細胞の組み合わせで構成されていることを示していて、両方の細胞タイプがこの培養に保持されていることを示しているんだ。これは、一次細胞がこの方法で培養されると、乳腺上皮の特性を保持し、乳腺細胞に関連する重要なマーカーを引き続き発現することを示しているんだ。

#3D培養における幹細胞/前駆細胞集団の特定

研究者たちは、どの上皮細胞サブポピュレーションが3D構造を形成できるかを特定し、幹細胞/前駆細胞の機能を探求しようとしたんだ。この文脈で、幹細胞/前駆細胞はまれだけど重要な細胞で、自己更新と他の細胞タイプを生成することができるんだ。以前の研究では、HMECが乳腺の基底層に多能性の幹細胞集団を含むことが示されているんだ。これらの細胞はエストロゲンに対して抵抗力があり、管状細胞と筋上皮系統マーカーが混在しているんだ。

最初に、研究者たちは3D環境でのHMECを従来の2D培養と比較したんだ。培養中の細胞の約3％が3D構造を生成できることがわかった。次に、これらの3D構造を形成する細胞の自己更新能力を、継続的なパッセージを通じて評価したところ、パッセージ5からパッセージ11の間で、3D構造を形成する能力が低下することが観察された。これは、一次上皮幹細胞/前駆細胞が数回のパッセージの後に自己更新能力を失うという以前の観察に一致するんだ。

細胞の特性に関しては、研究者たちは異なるパッセージでの3Dの一次細胞の明視野画像を撮影し、細胞がパッセージを進むにしたがって生成された3D構造の平均数を計算したんだ。また、HMECを2Dと3Dで育てた際のCD44/CD24のフローサイトメトリー分析も行われた。分析の結果、3D構造の解離したものは、2D培養に比べてCD44high/CD24low表現型がより高く表現されていることがわかった。このサブポピュレーションは、最も高い前駆細胞活性を持つことで知られているんだ。

#miRNAスクリーニングによる3D構造形成の強化

miRNAによる遺伝子調節が3D構造の形成を改善できるか確認するために、研究者たちはCD44high/CD24low細胞集団を豊富にし、3D構造を形成できる細胞の生成を増やすことを目的とした二段階の機能スクリーニング法を使用したんだ。さまざまなmiRNAでHMECに転送した後、CD44とCD24の発現を監視したんだ。分析では、miR-106a-3pが特に一次細胞をCD44high/CD24low表現型にシフトさせるのに効果的であることがわかったんだ。

スクリーニングの結果、miR-106a-3pの転送により、これらの細胞によって形成される3D構造の数が大幅に増加したことが確認された。研究者たちはまた、miR-106a-3pの存在がCD44high/CD24low集団を豊富にするだけでなく、3D構造の初期化も強化することを確認したんだ。これにより、miR-106a-3pが人間の3D構造の生成を促進する重要な因子であることが示されたんだ。

#3D構造生成におけるmiR-106a-3pの役割

miR-106a-3pの影響をさらに探るために、研究者たちはそれ用のレトロウイルスベクターを生成し、2Dで培養されたHMECにおけるその安定した発現を調べたんだ。一方で、miR-106aの1つの変異体（miR-106a-5p）が両方の感染グループで発現しているのに対し、miR-106a-3pはmiR-106aベクターに感染した細胞のみに存在することがわかったんだ。細胞が3Dで培養されると、miR-106a-3pの発現は安定したままだったんだ。

共焦点顕微鏡を通じて、研究者たちはmiR-106aが3D構造に与える影響を分析し、アポトーシスを測定するためにカスパーゼ-3を染色したんだ。結果は、miR-106aが管状細胞のアポトーシスに影響を与えず、3Dマトリックスの特異的構造が維持されていることを示しているんだ。これは、miR-106aがこれらの構造の形態を変えないことを示しているんだ。

HMECでのmiR-106aの安定した過剰発現は、3D構造を生成する能力を大幅に改善したんだ。miR-106a-3pとmiR-106a-5pの効果を比較した際には、miR-106a-3pだけが3D構造の形成数を大幅に増加させたんだ。さらに、miR-106a-3pのレベルを減少させる実験では、細胞の3D構造を形成する能力が50％減少する結果が出たんだ。

#上皮-間葉転換の調査

miR-106a-3pが上皮-間葉転換（EMT）にどのように関与しているかを理解するために、研究者たちは主要なEMT関連遺伝子をターゲットにした分析を行ったんだ。miR-106a-3pを発現する細胞は、さまざまなマーカーの発現に変化を示し、完全な転換ではなくハイブリッドなEMT状態の存在を確認したんだ。これは、細胞が完全に上皮型から間葉型に切り替わるのではなく、両方のカテゴリーから特性を表現していることを示していて、これはますます認識されている現象なんだ。

#幹細胞の分化におけるmiR-106a-3pのメカニズムの理解

miR-106a-3pが細胞の可塑性や分化に与える影響を探るために、研究者たちは転写解析を行ったんだ。miR-106a-3pで転送された細胞では、さまざまな遺伝子の発現に大きな変化が見られたんだ。また、miR-106a-3pの発現後に活性化される経路や転写因子も調べたんだ。特に、幹細胞を維持するために重要な経路であるMAPKやWNTがダウンレギュレートされ、腫瘍形成に関連する経路がアップレギュレートされたんだ。

これらの発見は、miR-106a-3pが分化と発展におけるaSCの役割を理解する手助けとなる可能性を示唆しているんだ。最終的に、研究者たちはmiR-106a-3pによって直接ターゲットにされた幾つかの転写因子を特定し、幹細胞の維持や分化を制御する複雑なネットワークを解明する手助けをしたんだ。

#結論

この研究は、成人幹細胞由来の3D構造の生成と維持におけるmiR-106a-3pの重要な役割を強調しているんだ。このmiRNAが特定の細胞集団を豊富にし、幹細胞のような特性を促進することが示されているんだ。主要な転写因子を調節することで、miR-106a-3pは成人幹細胞が自身のアイデンティティを維持し、分化がどのように影響されるかを理解する手助けをしているよ。この知識は、研究室での組織特異的成長条件の改善や、器官の機能や病気のプロセスの理解を進める可能性を持っているんだ。miRNAと転写因子の協力的な相互作用が、自身の更新と分化のバランスを微調整することを可能にし、幹細胞生物学と再生医療に関する将来の研究の道を開いているんだ。