マディン・ダービー犬腎臓細胞

マディン・ダービー犬腎臓（MDCK）細胞は、生物医学研究で使用されるモデル哺乳類細胞株です。MDCK細胞は、細胞極性、細胞間接着（接着結合と呼ばれる）、集団細胞運動性、毒性研究^{[ 1 ]} 、成長因子への応答など、幅広い細胞生物学研究に使用されます。3D細胞培養や分岐形態形成として知られる多細胞再編成に適した数少ない細胞培養モデルの1つです。 ^{[ 2 ]}

1958年にスチュワート・H・マディンとノーマン・B・ダービー・ジュニアが成犬のコッカー・スパニエルの腎尿細管から上皮細胞を初めて分離した後、 ^{[ 3 ]}彼らの名前を冠した細胞株は主に哺乳類細胞のウイルス感染のモデルとして用いられた。^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}実際、彼らは以前に他の哺乳類の腎尿細管由来の細胞へのウイルス感染に成功していたため、まさにこの目的を念頭に置いて腎尿細管を分離することを選んだ。^{[ 7 ]}したがって、この組織から細胞を分離して培養する最初の目的は、上皮細胞生物学の新しいモデルシステムを生成することではなかった。1970年になって初めて、ズビネク・ブラダの研究室が、MDCK細胞を腎尿細管上皮細胞の特徴を備えた代表的な細胞株として記述した研究を発表した。^{[ 8 ]}この結論は、MDCK細胞からなる単層の流体輸送活性、その頂端（上）表面における微絨毛の存在、および3Dで培養した際に中空の球状に自己組織化する能力に基づいている。報告書の中で、著者らは、MDCK細胞が由来組織を彷彿とさせる構造を形成する「組織型発現」は、他の組織の研究に有効に応用できる可能性があると推測した。その後の数十年間で、組織内の細胞の組織化と挙動を研究するためのレパートリーが大幅に拡大したが、彼らの推測は概ね正しかったことが証明された。^{[ 9 ]}

1970年代を通して、MDCK細胞株は哺乳類上皮組織のモデルとして新たな用途を見出した。1982年、ミナ・ビッセルらは、MDCK単層がコラーゲンオーバーレイの添加（「サンドイッチ培養」と呼ばれる）に反応して増殖し、中空の管を形成することを示した。^{[ 10 ]}これは、この細胞株が3D環境に反応して腎尿細管を思わせる適切な3D構造に自己組織化することを初めて示唆した。その後数年間、コラーゲンに完全に埋め込まれたMDCK細胞の培養により、中空の球体、すなわち腺房が得られることが示された。^{[ 11 ]}これらは、内部と外部が明確に区別された単純な上皮単層であった。しかし、MDCK細胞がこれらの条件下で管を形成しないという事実は、後になるまで説明されなかった。

1980年代の同じ時期に、細胞運動性を研究していた生物学者たちは、培養細胞における興味深く再現性のある挙動、すなわち散乱反応を発見した。培養中の上皮細胞は通常、密な塊として増殖する。しかし、スイス3T3線維芽細胞などの間葉系細胞から分泌される「散乱因子」に曝露されると、細胞間接触を破壊し、細長く運動性を持つようになることが誘導される。^{[ 12 ]}これは、1987年にジュリア・グレイのグループによって最もよく説明された。^{[ 13 ]} 1980年代半ばの同じ時期に、ウォルター・バーチマイヤーのグループによって、細胞間接触を破壊し、培養細胞の前後極性を変化させるモノクローナル抗体が報告された。 ^{[ 14 ] [ 15 ]}この抗体の標的は、後に細胞間接合部の構成要素であるE-カドヘリンであることが特定された。^{[ 16 ]}これらのばらばらの観察結果は、最終的に細胞運動性と細胞極性に関する強固なパラダイムへと統合された。上皮細胞は通常は運動性を持たないが、細胞間結合を阻害したり、散乱を誘導する成長因子を加えたりすることで運動性を持つようになる。^{[ 17 ]}これらのどちらも可逆的であり、どちらも細胞間結合の破壊を伴う。

1991年、MDCK腺房の3D培養における散乱因子に対する反応が、Lelio Orciらによって初めて報告された。^{[ 18 ]}彼らは、MDCK細胞の腺房を、Swiss 3T3線維芽細胞の有無にかかわらずコラーゲンゲル中で培養した。このゲル中では培地の交換は可能であったが、細胞の種類は直接接触していなかった。共培養と呼ばれるこの細胞培養戦略により、MDCK腺房は分岐形態形成を起こし、細胞は相互接続された管状構造のネットワークに再配置され、多くの組織の発達に似た様相を呈した。^{[ 19 ]}同年、「散乱因子」は、線維芽細胞から分泌される既知のタンパク質である肝細胞増殖因子（HGF）であることが示された。^{[ 20 ]}この研究により、MDCK培養の大きな謎が解明された。これらの細胞が由来する組織は管状であるにもかかわらず、3D培養では球状の腺房にしか発達しなかったからである。その一見矛盾する現象を超えて、2次元培養における「散乱因子」による細胞運動性の急激な誘導と、それが3次元組織が採用する空間構造に及ぼす影響との間に、重要な関連性が確立された。この関連性は、2次元における細胞運動性の明確に定義されたメカニズムと、その制御機構がまだ完全には解明されていない3次元における複雑な再編成との間のつながりとして、依然として重要な意味を持つ。

過去 20 年間、3D 培養における MDCK 細胞生物学の理解は、特にKeith Mostovの研究室によって大きく進歩しました。このグループは、細胞極性の制御と、それが分岐形態形成に及ぼす下流効果に焦点を当ててきました。^{[ 21 ] [ 2 ]}実際、Mostov グループによって生み出された一連の研究は、細胞機能の空間的分離とその分子マーカーに関する数十年の知識を、組織における細胞極性の生成と恒常性に関する注目すべきモデルにうまく統合しました。^{[ 22 ] [ 23 ]} 2003 年に、Mostov グループは、分岐形態形成と頂端基底極性の特徴を結びつける最初の包括的な報告を発表しました。^{[ 24 ]}この研究により、MDCK 細胞は分岐形態形成の開始時に隣接細胞との接触を失うことはないが、細胞極性の標準的なマーカーは一時的に失われることが明らかになりました。この極性変化の結果の一つとして、新たに成長する細胞の枝に沿って細胞分裂の方向が再調整され、娘細胞が枝の伸長を継続できるように適切な位置に配置される。MDCK細胞が枝を生成・伸長させる際の細胞運動性は、これらの極性変化と関連していた。

これらの知見は、細胞極性シグナル伝達の一時的な再編成に焦点を当てた分岐形態形成モデルに統合された。このモデルは非公式にモストフ経路と呼ばれている。これにより、通常は運動性のない細胞が突起を形成して集団で移動し、その後再分化して中空の管状構造が形成される。このモデルを支持するために、モストフらは、HGFがMDCK腺房に及ぼす影響が上皮細胞から間葉系細​​胞の表現型への部分的な移行を引き起こすことを明らかにした。^{[ 25 ]}この議論は、定着性の上皮細胞が運動性になり細胞間接触を断つ上皮間葉移行（EMT）と呼ばれる確立されたシグナル伝達プログラムを動員する。 ^{[ 17 ]} EMTは、細胞の分散を促進する転写シグナル伝達カスケードとして提案されているが、以前は研究者らはこの2つを混同していなかった。^{[ 26 ] [ 27 ]} 3Dの腺房では細胞間結合が破裂しないという区別があるため、EMTの概念を分岐形態形成と正確に関連付ける方法は不明である。

Mostov グループは、MDCK の分岐形態形成中に HGF が細胞運動性を活性化する手段についても調査しました。^{[ 28 ] [ 29 ]}彼らの研究では、分岐形態形成には、細胞運動性と増殖に関与する明確なシグナル伝達経路であるマイトジェン活性化プロテインキナーゼカスケードの下流にある Erk 転写因子が必要であることが示されています。 ^{[ 30 ]} MDCK の分岐形態形成に関与する正確な細胞運動機構は、低分子 GTPase Rhoの調節に関与するシグナル伝達タンパク質が必要であることを除いて、Mostov グループによって特定されていません。^{[ 29 ]}さらに、Gardel 研究室は、腺房内の MDCK 細胞の侵襲運動性には、個々のコラーゲン線維への細胞接着を調節する Dia1 が必要であることを示しました。^{[ 31 ]}一方、他のグループは、MDCK の分岐形態形成において細胞-ECM 接着タンパク質またはその調節因子が必要であることを実証しました。^{[ 32 ] [ 33 ]} MDCK細胞培養と分岐形態形成の改良プロトコルを用いて、GierkeとWittmanは、分岐の初期段階を制御する上で微小管ダイナミクスが必要であることを明らかにした。 ^{[ 34 ]}彼らは、微小管が制御不能になると、コラーゲンマトリックスへの細胞接着結合が不十分になることを観察した。この表現型は、分岐形態形成が開始される際に、適切な細胞接着タンパク質と突出タンパク質を細胞先端に輸送することの重要性を示している。Mostovグループの観察結果と合わせて、この研究は、分岐形態形成中のMDCK腺房恒常性および移動行動には細胞極性が不可欠であることを確認した。

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