MC3T3-E1細胞 — 骨生物学研究におけるゴールドスタンダードの骨芽細胞前駆細胞モデル
作成日:2026年7月6日 | 最終確認日:2026年7月6日 | 著者:アンリ・シュヴェグラー
はじめに
MC3T3-E1細胞、別名Mc3T3-E1、MC3T3E1、MC-3T3-E1、MC 3T3-E1(Cellosaurusアクセッション番号CVCL_0409)としても知られるこの細胞株は、現代の骨生物学において最も広く使用されている前骨芽細胞株の一つである。 1981年にKodamaらによって新生マウスの頭蓋骨から樹立され、1983年にSudoらによってさらに特性が解明されたこれらの自然不死化細胞は、コンフルエント状態における高いアルカリホスファターゼ(ALP)活性に基づいて選別されたものである。[1] これらの細胞は、明確に定義された増殖および分化段階を経て、最終的にはin vitroで石灰化した骨マトリックスを形成する能力を持つため、骨形成や骨リモデリング、さらには薬理学的薬剤、生体材料、および遺伝的撹乱が骨芽細胞の機能に及ぼす影響を研究する上で、不可欠なツールとなっています。 今日、MC3T3-E1細胞は、骨粗鬆症、インプラント科学、組織工学、宇宙生物学に及ぶ幅広い研究において重要な役割を果たしている。
主なポイント
- MC3T3-E1は、新生マウスの頭蓋骨由来の、自然不死化されたマウス前骨芽細胞株である。
- 細胞は、明確な増殖段階および分化段階を経て、最終的にin vitroで石灰化マトリックスの形成に至る。
- ALP活性が高く、骨芽細胞マーカー(RUNX2、OCN、OPN、Col1A1)の発現が見られることから、これらは信頼性の高い骨形成モデルとなっている。
- 親系統から、分化能や鉱化能が異なる複数の派生サブクローンが樹立された。
- MC3T3-E1細胞は、生体材料の試験、創薬、骨粗鬆症の研究、および骨組織工学の分野で広く利用されている。
- 誤同定や交差汚染を防ぐため、細胞株の同一性は、STRまたはSNPプロファイリングによって定期的に確認すべきである。[2]
MC3T3-E1とは何ですか?
MC3T3-E1は、マウス由来のクローン性で自然不死化した前骨芽細胞株であり、Cellosaurusのアクセッション番号CVCL_0409として登録されている。これは、性別不明の新生マウス(生後1日未満)の頭蓋骨組織から樹立されたものである。 供与動物にはいかなる疾患も認められなかった。この細胞株は、コンフルエント状態における高いALP活性を基準に選定されたものであり、この特性は、in vitroでの強力な骨形成能を予示するものであった。 増殖期において、MC3T3-E1細胞は線維芽細胞様の形態を示し、多層培養を形成する。誘導を受けると、これらは骨芽細胞へ分化し、コラーゲン性の細胞外マトリックスを産生し、最終的には骨マトリックスに埋め込まれた骨細胞様細胞を含む石灰化結節を形成する。[1] 標準的な培養条件下では、倍加時間は24時間から48時間の範囲です。
SNPアレイによるプロファイリングにより、MC3T3-E1細胞がC57BL/6系統に由来することが確認され、長期継代に伴う核型変化の同定にも利用されてきた。[3] この細胞株は、特に石灰化サブクローンにおいて、RUNX2、骨シアルタンパク質、オステオカルシン、オステオポンチンといった主要な骨芽細胞マーカーを発現する。[4] 一連の派生サブクローン――これにはMC3T3-E1 サブクローン 14 細胞およびサブクローン4は、親系統から単離されたものであり、in vitroおよびin vivoにおいて、さまざまな程度の分化能および石灰化能を示している。
細胞培養に関する情報
- 中
- 詳細な培養条件については、Cytionの製品ページをご覧ください。
- 播種密度
- 詳細については、Cytionの製品ページをご覧ください。
- 凍結培地
- 詳細については、Cytionの製品ページをご覧ください。
- 倍増時間
- 24~48時間
- 成長タイプ
- アドヘレント
MC3T3-E1細胞の利点
MC3T3-E1細胞は、骨芽細胞の発達過程全体を網羅した、明確に定義され、再現性の高いモデルを提供する。不均一で維持が困難な一次頭蓋骨骨芽細胞とは異なり、MC3T3-E1細胞はクローン由来であり、研究室を問わず一貫して増殖させることができる。 増殖中の前骨芽細胞から、マトリックス沈着を行う骨芽細胞、そして最終的には骨細胞に囲まれた石灰化結節へと進行するその能力により、MC3T3-E1細胞は骨形成の経時的変化の研究に極めて適している。 Yohayらによる先駆的な研究により、培養下におけるMC3T3-E1細胞の明確な増殖段階および分化段階が定義され、同細胞は骨芽細胞の発達を定量的に評価できるin vitroモデルとして確立された。[5] その研究により、MC3T3-E1細胞が、増殖停止、マトリックスの成熟、および石灰化という予測可能な一連の過程を経ることが示された。これらの段階は、生体内における骨芽細胞の発生過程と非常によく似ている。
さらなる利点として、実験の柔軟性を高める、特性が十分に解明されたサブクローンの利用が可能である点が挙げられる。Wangらは、親株であるMC3T3-E1株から一連のサブクローンを単離し、鉱化能を持つサブクローンが骨シアルタンパク質、オステオカルシン、 およびPTH/PTHrP受容体のmRNAを選択的に発現することを実証した。一方、アルカリホスファターゼの発現は、鉱化能を有するサブクローンとそうでないサブクローンの両方で認められた。[4] このリソースにより、研究者は実験のニーズに適した、明確な表現型を持つサブクローンを選択することができます。 さらに、これらの細胞は、アスコルビン酸、β-グリセロリン酸、BMP-2、デキサメタゾン、および数多くの低分子化合物をはじめとする幅広い骨形成刺激に対して強力に反応するため、薬理学的およびメカニズムの研究に理想的です。
MC3T3-E1細胞は、分子操作においても非常に扱いやすい。 この細胞は、トランスフェクション、ウイルスによるトランスダクション、およびCRISPRに基づく遺伝子編集に耐性を示し、骨の病態生理に直接関連する内因性のシグナル伝達経路(Wnt/β-カテニン、BMP/SMAD、PI3K/AKT)を発現している。 マウス由来であるため、骨粗鬆症や骨折治癒の生体内マウスモデルとの統合が容易であり、in vitro で得られた知見のトランスレーショナルな価値を高めています。
MC3T3-E1細胞の限界
MC3T3-E1細胞は広く使用されているにもかかわらず、重要な注意点があります。 自然不死化細胞株であるため、長期にわたる継代により核型異常が蓄積する可能性があります。SNPアレイによるプロファイリングの結果、MC3T3-E1培養細胞において広範な異数性が認められ、ゲノム全体にわたる変化が、継代回数が多い場合、分化アッセイの再現性に影響を及ぼす可能性があります。[3] 親株系統においても、鉱化能の自然喪失が生じることがある。これは、ババが親株であるMC3T3-E1集団から鉱化能を持たないサブクローン(MC3T3-NM4)を単離したことで実証されており、この発見は、継代を経るにつれて分化能を注意深くモニタリングする必要性を浮き彫りにしている。[6]
市販のMC3T3-E1サブクローンの骨形成能にばらつきがあることは、実験のばらつきのさらなる要因となっている。 研究により、異なるサブクローン(例えば、サブクローン4とサブクローン14)では、石灰化の動態やマーカー遺伝子の発現プロファイルが著しく異なることが示されているため、異なるサブクローンを使用する研究所間の結果を直接比較する際には、慎重を期す必要がある。 培養培地の組成も骨形成の結果に大きな影響を与えます。異なる培養培地における MC3T3-E1 細胞を評価した研究では、ALP 活性、コラーゲン沈着、および石灰化に著しい違いが報告されており、実験設計における培地の標準化の重要性が浮き彫りになっています。
最後に、MC3T3-E1細胞はマウス由来であるため、ヒト骨芽細胞の反応を予測する上での直接的な臨床的関連性には限界がある。受容体の薬理学、サイトカインシグナル伝達、および遺伝子発現調節における種特異的な違いがあるため、臨床への外挿を行う前に、ヒト骨芽細胞系を用いて知見の検証を行う必要がある。 実験を開始する前に、交差汚染を排除するため、STRプロファイリングや次世代シーケンシングに基づく手法による細胞株の定期的な真正性確認を強く推奨する。[2]
応用例
骨芽細胞分化および骨形成のモデル化
MC3T3-E1細胞の最も基本的な応用は、骨芽細胞分化の定量的モデルとしての利用である。 Yohayらによる画期的な研究では、培養中のマウス由来MC3T3-E1細胞の増殖段階と分化段階が明確に特徴づけられ、これらの前骨芽細胞が成長、マトリックス成熟、および石灰化の各段階をどのように移行するかを理解するための時間的枠組みが提供された。 [5] この研究により、この細胞株は骨形成の適切な in vitro モデルとして定義され、ALP 活性、コラーゲンマトリックスの沈着、結節の石灰化など、今日でも標準的に使用されている実験的ベンチマークが確立されました。 こうした発生段階の明確化により、MC3T3-E1は、新たな骨形成プロトコルや分化培地を評価するための基準として広く用いられるようになった。
シグナル伝達経路の研究では、MC3T3-E1細胞を活用して骨形成の分子メカニズムを解明してきた。Wangらは、アペリン-13がその受容体APJを介してBMP4/SMAD1/5/8経路を活性化し、 これにより、骨形成マーカーであるALP、オステオカルシン、オステオポンチン、およびCol1A1の発現が上昇し、MC3T3-E1細胞においてRUNX2の発現がmRNAおよびタンパク質レベルの両方で増加することを明らかにした。 [7] 分化に対するマイクロRNAの調節についても研究が進められている。Zhaiらは、miR-211-5p/FOXO3軸がWnt/β-カテニン経路を活性化することで、MC3T3-E1細胞およびBMSCの骨形成分化を促進することを示し、これは骨粗鬆症性骨折の治癒にも関連している。 [8] MC3T3-E1細胞を用いた流体せん断応力の研究により、アネキシンA6を介したオートファジーが機械的刺激による骨形成分化を調節することがさらに明らかになった。この知見は、荷重を受ける骨の生理学的理解に関連している。[9]
MC3T3-E1細胞を用いて、生体内の骨芽細胞の微小環境をより忠実に再現する三次元スフェロイドが形成されている。 Wenらは、低接着性培養システムを用いて自発的なMC3T3-E1スフェロイドを生成し、単層培養と比較してALP活性および骨形成関連遺伝子の発現が有意に増強されることを実証した。 [10] これらのスフェロイドは、マウスの歯自家移植モデルにおいて歯槽骨の再生を促進し、炎症を抑制し、組織工学への応用における3次元MC3T3-E1培養システムの有用性を浮き彫りにした。
骨粗鬆症の研究と創薬
MC3T3-E1細胞は、骨粗鬆症に対する治療候補物質を評価するための主要なin vitroプラットフォームとして機能する。 天然由来のフラボノイドであるケルセチンは、Nrf2/SLC7A11/GPX4シグナル伝達経路を介してフェロプトーシスを調節することにより、骨粗鬆症ラットにおける骨芽細胞の機能障害を軽減することが示された。MC3T3-E1細胞を用いたin vitro検証により、この経路が骨芽細胞の生存と機能において果たす役割が確認された。 [11] 同様に、毛角タンパク質抽出物(PAE)は、Wnt/β-カテニンシグナル伝達経路を活性化しながら、MC3T3-E1細胞の生存率、増殖、および骨形成分化を促進し、これは卵巣摘出ラットの海綿骨微細構造に対するその有益な効果を反映している。[12]
伝統的な薬用植物由来の多糖類についても、より広範な骨粗鬆症対策研究の一環として、MC3T3-E1細胞を用いたin vitro評価が行われている。 Yangらは、Psoralea corylifolia由来の2種類の多糖類を同定し、それらがMC3T3-E1細胞における骨形成活性を刺激する能力を有することを実証した。これは、グルココルチコイド誘発性骨粗鬆症マウスにおいて骨密度が改善されたというin vivoでの知見を裏付けるものである。 [13] クルクミンナノ粒子とナルルモスバートを併用すると、Wnt/β-カテニン経路を介してMC3T3-E1細胞における骨芽細胞分化を相乗的に促進することが示され、骨外傷の修復に向けたナノ粒子の併用戦略が提示された。[14]
重篤な骨感染症である骨髄炎については、ブドウ球菌タンパク質A(SPA)で処理したMC3T3-E1細胞を用いたin vitro感染モデルとして研究が行われてきた。 Chenらは、これらのin vitro実験とメンデルランダム化を組み合わせることで、循環代謝産物であるp-クレゾール硫酸塩がMC3T3-E1細胞の増殖および骨形成分化を阻害することを実証し、骨髄炎の病因における代謝的要因に関する新たなメカニズムの知見を提供した。 [15] また、MC3T3-E1細胞においてフェロスタチン-1を用いたフェロプトーシスの阻害についても研究が行われており、その結果、フェロプトーシスによる細胞死を抑制することで、骨芽細胞の生存率および骨形成活性が向上することが示唆されている。
生体材料、インプラント科学、および骨組織工学
MC3T3-E1細胞は、新規生体材料の生体適合性および骨誘導能を評価するための基準として用いられている。Liuらは、テルビウムをドープした3Dプリント炭酸ヒドロキシアパタイト (Tb-CHA)スキャフォールドを開発し、MC3T3-E1細胞を用いて、この材料がin vitroで細胞の増殖と分化を著しく促進することを実証した。その後、ラットの頭蓋骨欠損モデルを用いたin vivo検証により、その骨形成能および血管新生能が確認された。 [16] MC3T3-E1のin vitroでの反応とin vivoでの骨再生結果を関連付けることができるため、この細胞株は骨代用材料の反復設計において特に有用である。
チタンインプラントの表面改質研究では、オッセオインテグレーションの可能性を定量化するために、MC3T3-E1細胞が広く用いられてきた。LiaoとLiは、チタン表面上にエピガロカテキン-3-ガレート(EGCG)、 ヒドロキシアパタイト(HAP)、および銀ナノ粒子(AgNPs)からなる複合コーティングをチタン表面に形成し、このEGCG/HAP/AgNPsコーティングが抗菌活性を向上させると同時に、MC3T3-E1細胞の付着、増殖、および骨形成分化を促進することを示した。 [17] これらの知見は、抗菌効果と宿主細胞との適合性のバランスを保つ必要があるインプラントコーティングの最適化において、MC3T3-E1細胞がいかに役立つかを示している。
酸化亜鉛ナノ粒子(ZnO-NPs)は、MC3T3-E1細胞で評価された別の種類の生体医用材料である。 Ryuらは、ZnO-NP抽出物が細胞適合性および骨形成活性に及ぼす濃度依存的な影響を体系的に評価し、低濃度では骨芽細胞反応が促進される一方、高濃度では細胞毒性が認められることを明らかにした。 [18] この用量依存的な特性は、ナノ材料を用いた骨修復戦略の安全性および有効性の範囲を確立する際に、標準化されたMC3T3-E1アッセイを使用することの重要性を強調している。 同様に、低温大気プラズマ(CAP)技術についても、MC3T3-E1細胞の骨形成分化を時間依存的に刺激する能力が評価されており、歯槽骨再生における潜在的な応用可能性が開かれている。[19]
微小重力とメカノバイオロジー
MC3T3-E1細胞は、機械的および重力的な負荷軽減が骨芽細胞の生物学にどのように影響するかについて、基礎的な知見をもたらしてきた。 Hughes-Fulford と Lewis は、STS-56 スペースシャトルミッションに MC3T3-E1 骨芽細胞を打ち上げ、微小重力下で活性化された細胞は、正常な血清刺激を受けているにもかかわらず、地上の対照群と比較して細胞骨格の組織化に変化が見られ、プロスタグランジン合成が低下し、増殖が阻害されることを実証した。 [20] これらの知見は、長期宇宙飛行中に宇宙飛行士が経験する、よく知られた骨密度の低下について、細胞レベルのメカニズム的根拠を提供した。
ヒューズ=フルフォードによるその後の研究では、これらの観察結果を遺伝子発現およびシグナル伝達へと拡大し、微小重力がMC3T3-E1骨芽細胞の転写プログラムを変化させ、重力負荷がない状態での骨形成の低下を説明する一因となることを実証した。 [21] これらの宇宙生物学研究は、MC3T3-E1細胞を、微小重力が骨格に及ぼす細胞レベルの影響を調査するための主要なin vitroモデルとして確立し、宇宙医学における骨量減少の対策開発に直接的な関連性を持つものとなった。
地球上では、メカノバイオロジーの研究において、MC3T3-E1システムが活用され、骨のラクノカナル網における間質流の代用指標である流体せん断応力が、どのように骨芽細胞の分化を調節するかを解明してきた。 研究により、アンネキシンA6を介したオートファジーが、MC3T3-E1細胞において機械的刺激と骨形成関連遺伝子の発現を結びつけていることが実証され、骨細胞が物理的負荷を感知し、それに応答する仕組みに関する分子レベルの詳細が明らかになった。[9] こうしたメカノバイオロジーへの応用により、MC3T3-E1細胞は生物物理学と再生医療の接点に位置づけられている。
歯周組織および歯槽骨の再生
歯周炎に関連する骨喪失は主要な臨床的課題であり、MC3T3-E1細胞は歯周組織再生戦略を検証するための重要なin vitroツールとなっている。 Kongらは、アスピリンとアレンドロネートナトリウムに由来する多機能カーボンドットナノ材料(ASA-ALN-CDs)を開発した。この材料は、歯周病原体に対して強力な抗バイオフィルム活性を示し、炎症条件下でMC3T3-E1細胞の骨形成分化を促進した。 [22] ラットの歯周炎モデルにおいて、この材料はHIF-1αシグナル伝達経路を阻害することで歯槽骨の喪失と炎症を軽減し、MC3T3-E1細胞を用いたin vitroデータは、観察されたin vivoの効果に対する直接的なメカニズム的裏付けを提供した。
冷気圧プラズマ(CAP)に関する研究では、特注のヘリウムCAP源にMC3T3-E1細胞を曝露させることで、歯槽骨再生に特に焦点を当てた。 Negrescuらは、CAP処理が細胞の生存率および骨形成分化を時間依存的に調節することを、ライブ/デッドアッセイ、CCK-8生存率アッセイ、ALP活性測定、および形態学的解析を通じて示した。 [19] これらの結果により、CAPは歯槽骨欠損に対する物理的補助療法の候補として位置づけられ、MC3T3-E1細胞は、治療パラメータを最適化するために必要な定量的分化評価データを提供することが示された。
MC3T3-E1細胞を用いて開発された三次元スフェロイド培養法は、歯科再生医療に直接関連している。 Wenらが歯の自家移植モデルで評価したスフェロイド-コラーゲンスキャフォールドシステムは、単層細胞対照群と比較して、優れた歯槽骨再生と抗炎症性遺伝子発現を達成した。これは、MC3T3-E1スフェロイドの増強されたパラクリン活性が、歯槽窩の治癒において臨床的に有意義な改善につながる可能性を示唆している。 [10]
結論
MC3T3-E1細胞は、骨生物学研究において依然として不可欠かつ広範に検証されたモデルである。 in vitroでの石灰化能を有するクローン性前骨芽細胞株としての当初の特性評価から、3Dバイオプリンティング、ナノ粒子を用いた薬物送達、歯周組織再生、宇宙医学といった最先端分野での現在の応用に至るまで、これらの細胞は並外れた科学的汎用性を示してきた。 明確に定義された分化段階、堅牢なマーカー発現、そして幅広い骨形成刺激に対する反応性により、これらの細胞は、新しい生体材料の評価、骨粗鬆症や骨髄炎における治療標的の特定、および骨形成を制御するシグナル伝達経路の解明におけるベンチマークとなる細胞株となっています。 フェロプトーシス、メカノバイオロジー、あるいは次世代インプラントコーティングのいずれを研究する場合でも、MC3T3-E1細胞は、研究に求められる再現性が高く、生物学的に意義のあるプラットフォームを提供します。詳細な仕様をご覧になるか、cytion.comからMC3T3-E1細胞を直接ご注文ください。
主な論文
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- Chen YH, Connelly JP, Florian C (2023) 細胞株の真正性確認のための次世代シーケンシングを用いたショートタンデムリピート(STR)プロファイリング。Disease Models & Mechanisms. PMID: 37712227
- Didion JP、Buus RJ、Naghashfar Z(2014)マウス細胞株のSNPアレイプロファイリングによる起源系統の同定、および交差汚染と広範な異数性の解明。『BMC Genomics』。PMID: 25277546
- Wang D、Christensen K、Chawla K (1999) in vitro および in vivo において異なる分化・石灰化能を有する MC3T3-E1 前骨芽細胞サブクローンの単離と特性解析。Journal of Bone and Mineral Research. PMID: 10352097
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