ヒト腸のオルガノイド由来PDGFRα+間葉系間質が、LGR4+上皮幹細胞の増殖と維持を可能にします

背景：ヒト多能性幹細胞（HPSC）に由来する腸上皮細胞は、培養時に接着を示さないため、一般にin vitroでオルガノイドとして維持および培養されます。ただし、オルガノイドの3次元構造により、再生医療と創薬における使用が困難になります。間葉系間質細胞は、in vivoで腸幹細胞の近くで見られ、BMP阻害剤、WNT、R-スパンンなどの幹細胞の維持と増殖を調節するための栄養因子を提供します。この研究では、HPSC由来の腸オルガノイドから分離された間葉系間質細胞を使用して、粘着培養におけるHPSC由来の腸上皮細胞の安定した増殖と維持を可能にするin vitro培養システムを確立することを目指しました。 方法：HPSCS由来の腸オルガノイドとこれらの細胞の共培養システムから腸上皮細胞の分離プロトコルと間葉系間質細胞を確立しました。次に、腸上皮細胞と間葉系間質細胞の形態、増殖能力、染色体安定性、腫瘍形成性、および遺伝子発現プロファイルを評価しました。また、薬物動態および毒性研究のための細胞の有用性を評価しました。 結果：増殖する腸上皮細胞は、柱状形状、微小型およびグリコカリックス形成、細胞極性、および薬物代謝酵素および輸送体の発現を示しました。腸上皮細胞は、バリア機能、輸送体の活性、および薬物代謝能力も示しました。特に、小腸上皮幹細胞は、間葉系間質細胞なしでは接着培養では培養できず、他のフィーダー細胞に置き換えることはできません。オルガノイド由来間葉系間質細胞は、小腸上皮幹細胞を維持し、接着培養において重要な役割を果たすのに不可欠な栄養細胞に似ています。 結論：HPSC由来の腸上皮細胞の高い増殖性の拡大、生産性、および機能性は、薬物動態および毒性研究および再生医療に潜在的な応用を持っている可能性があります。

BACKGROUND: Intestinal epithelial cells derived from human pluripotent stem cells (hPSCs) are generally maintained and cultured as organoids in vitro because they do not exhibit adhesion when cultured. However, the three-dimensional structure of organoids makes their use in regenerative medicine and drug discovery difficult. Mesenchymal stromal cells are found near intestinal stem cells in vivo and provide trophic factors to regulate stem cell maintenance and proliferation, such as BMP inhibitors, WNT, and R-spondin. In this study, we aimed to use mesenchymal stromal cells isolated from hPSC-derived intestinal organoids to establish an in vitro culture system that enables stable proliferation and maintenance of hPSC-derived intestinal epithelial cells in adhesion culture. METHODS: We established an isolation protocol for intestinal epithelial cells and mesenchymal stromal cells from hPSCs-derived intestinal organoids and a co-culture system for these cells. We then evaluated the intestinal epithelial cells and mesenchymal stromal cells' morphology, proliferative capacity, chromosomal stability, tumorigenicity, and gene expression profiles. We also evaluated the usefulness of the cells for pharmacokinetic and toxicity studies. RESULTS: The proliferating intestinal epithelial cells exhibited a columnar form, microvilli and glycocalyx formation, cell polarity, and expression of drug-metabolizing enzymes and transporters. The intestinal epithelial cells also showed barrier function, transporter activity, and drug-metabolizing capacity. Notably, small intestinal epithelial stem cells cannot be cultured in adherent culture without mesenchymal stromal cells and cannot replaced by other feeder cells. Organoid-derived mesenchymal stromal cells resemble the trophocytes essential for maintaining small intestinal epithelial stem cells and play a crucial role in adherent culture. CONCLUSIONS: The high proliferative expansion, productivity, and functionality of hPSC-derived intestinal epithelial cells may have potential applications in pharmacokinetic and toxicity studies and regenerative medicine.