Osteoblast-Related Gene Expression of Rat Bone Marrow Cells Induced by Three-dimensional Cell Culture in Type I Collagen Gel

Abstract

Bone marrow stromal cells contain multipotent stem cells that differentiate into several types of cells under certain conditions in culture. Previously, we reported that a type I collagen matrix induced the osteoblastic differentiation of rat bone marrow stromal cells in culture. In this study, we performed a three dimensional culture within type I collagen gel to elucidate the relationship between the extracellular matrix of the cell culture system and the osteoblastic differentiation of rat bone marrow stromal cells. We compared the osteoblastic gene expressions of the culture cells; (i) culture in conventional culture dish (2D group), (ii) culture in type I collagen-coated culture dish (COAT group), and (iii) culture in three-dimensional type I collagen gel (3D group). In the 3D group of cell culture, the alkaline phosphatase activities of cells were higher than those of the other groups over 3 weeks of culture. Moreover, bone sialoprotein and osteocalcin mRNA expressions were found to be induced by the three-dimensional type I collagen gel culture of rat bone marrow stromal cells. These results suggested that the three dimensional culture of rat bone marrow cells is a crucial factor for inducing osteoblastic differentiation. 抄 録:高 等 動物 の骨髄 間質 細胞 の なか には,多 分化 能 を有す る間葉 系幹 細胞 が存 在 し,培 養 下 にお いて も,種 々 の 条件 に よ りさま ざまな細胞 に分 化 し うる と考 え られ て いる。 われ われ は,こ れ まで に ラ ッ ト骨 髄 間質細 胞 をI 型 コ ラーゲ ン と ともに培 養 す る ことに よ り,骨 芽細 胞 へ の分 化 が誘 導 され る ことを報告 して きた。本 研 究 で は, 〒060-8586 北海 道札 幌市 北 区北13条 西7丁 目 宮本哲朗ほか:ラ ット骨髄間質細胞のコラーゲンゲル内三次元培養 531 細 胞 の三 次元的配 置 と細 胞分 化 との関連 を明 らかにす る 目的 で,ラ ッ ト骨髄 間質細 胞 を通常 の培 養用 デ ィシ ュに て単層 培養 した群(2D群),I型 コ ラーゲ ンを コー トしたデ ィシ ュにて培養 した群(COAT群)な らび にI型 コ ラー ゲ ンゲル内 にて三 次元培 養 を行 った群(3D群)に て それ ぞれ培 養 し,遺 伝子 発現 を比較検 討 した。3D群 に おい て,ほ か の2群 と比較 して,ア ルカ リホス フ ァターゼ活性 が高 く,骨 シアロプ ロテイ ンお よびオ ステオ カル シ ンの遺 伝子 発現 が誘 導 された 。本研 究 に よ り,ラ ッ ト骨髄 間質細胞 をI型 コラーゲ ンゲル 内で三 次元 的 に培 養 す る ことに よ り,骨 芽 細胞 の分化 が誘 導 され る ことを明 らか に した。