キメラ研究は病気の理解と治療に新たな扉を開く

Jul 10, 2023

ハンナは、2022 年に編集アシスタントとして Drug Discovery News に入社しました。彼女は 2017 年にワシントン大学で神経科学の博士号を取得し、2020 年にグローバル ジャーナリズムのダラ ラナ フェローシップを修了しました。

「私が大学生だったとき、母は心臓移植が必要でした」とミネソタ大学の細胞生物学者メアリー・ギャリーは語った。 ギャリーの母親は、まだ 50 代だったにもかかわらず、移植を受けるには年をとりすぎていると言われました。 単にハートが足りなかったのです。

「母は1980年に亡くなりました」とギャリーさんは語った。 「今日利用できるドナー心臓の数は、1980年代後半に利用可能になった数と大差ありません。」

臓器、特に腎臓、肝臓、心臓の必要性は、入手可能性をはるかに上回っています。 現在、米国だけでも 10 万人以上が全国的な移植待機リストに載っています (1)。 待っている間に多くの人が亡くなるでしょう。

幹細胞、遺伝子編集、生物体の発生に関する科学的理解が進むにつれ、ギャリーさんは自分のキャリアパスが明確になったと感じました。 「この問題を解決するテクノロジーが利用可能になったとき、それは非常に正しいことのように思えました。」

現在、ギャリーとその夫で移植心臓専門医のダンは、種間キメラ研究、つまり 2 つの異なる種の細胞を含む生物の研究の分野の先駆者です。 彼らのチームは、ヒト人工多能性幹細胞を使用してブタの体内でヒト組織を成長させることに焦点を当てています。

テキサス大学サウスウェスタン医療センターの幹細胞生物学者ジュン・ウーを含む他の科学者も、いつか膨大な移植需要を満たすのに十分な人間の臓器を増殖させ、数百人の命を救う可能性があるという最終目標を掲げてキメラの研究を行っている。何千もの命。 「ヒト多能性幹細胞は、移植用のドナー細胞や組織、臓器を無尽蔵に供給できる可能性を秘めている」とウー氏は電子メールで書いた。

ギリシャ神話では、キマイラは火を吐く怪物で、半分ヤギ、半分ヘビ、半分ライオンであり、リュキアの人々を恐怖に陥れた後、英雄ベレロポーンによって倒されました。 生物学においては、キメラはそれほど怪物的ではありません。 それは、2 セット以上の DNA を含むあらゆる生物です。 これは、骨髄移植を受けた人などの比較的歩行者から、他の種に属する細胞や組織を含む動物など、SF の世界に馴染みやすい生き物まで多岐にわたります。

研究室で作成された種間キメラは、特に新しいものではありません。 ARC 動物生理学研究所の科学者は、1984 年にジープとして知られるヒツジとヤギの雑種を作成したと発表しました (2)。 初期のキメラ研究は困難で不正確でした。 科学者たちは、1 つの胚から組織を丹念に取り出し、それを別の胚に移植しました (3)。 しかし、2000 年代の幹細胞研究の進歩によりこの分野に革命が起こり、複数種の生物研究の新たな可能性と新たな応用が開かれました。

2007 年、京都大学のチームは成人の体細胞から多能性幹細胞を作成しました (4)。 研究者らは、おそらく血液や皮膚に由来する患者自身の細胞を人工多能性幹細胞に変換し、患者が必要とするあらゆる器官に成長させることができる未来を夢見始めた。 これにより臓器が十分に供給されるだけでなく、潜在的に危険な免疫抑制剤を患者が服用する必要もなくなる。 新しい臓器は自分自身の細胞から作られるため、臓器拒絶反応を心配する必要はありません。

一部の研究者は、幹細胞を使用して、別の種の体内ではなく、実験室で生体外で人間の臓器を生物工学的に操作しようと試みています(5)。 ギャリー氏は、複数のアプローチの重要性を容易に認めながらも、in vitro よりも発生中の動物において臓器を成長させることには重要な利点があると述べました。

「私たちは、ブタの中に存在する発達の合図が、ブタの胚の中にある人間の細胞を導くのに役立つと考えています。インビトロのアプローチでは、物理的な足場が存在しますが、成長因子や純粋な力などの生物学的な合図は存在しません。血流や、生体に存在する他の性質のものが失われているのです」と彼女は言った。 科学者は、細胞に特定の器官になるように指示する発生の合図をすべて正確に模倣するのに十分な知識をまだ持っていない可能性があります。 「自然は私たちよりも多くのことを知っています。なぜなら、それらすべてを試験管内で再発明することはできないからです」とギャリー氏は言う。

1 つの動物から別の種の体内で臓器を成長させる 1 つの方法は、胚盤胞補完です。 研究者らは、宿主の胚盤胞内の特定の器官の発達を促進する遺伝子をノックアウトし、ドナー種からの多能性幹細胞を移植します。

初期の研究では、少なくとも一部の近縁種ではこの技術が機能することが実証されました。 2010年、幹細胞生物学者の中内弘光氏と東京大学のチームは、マウスの胎児の膵臓形成を促進する遺伝子を削除し、空いたニッチを埋めるためにラットの多能性幹細胞を注入した。 結果として得られたマウスは、主にラットの細胞でできた機能的な膵臓を持って生まれました(6)。

それ以来、中内らは肝臓、肺、腎臓を「置き換えた」キメラ生物を作成した(7-9)。 齧歯動物モデルにおけるこうした成功にもかかわらず、これらの発見を人間の臓器に応用することははるかに困難であることが判明しています。

動物がどの程度密接に関連しているかは、種間キメラがどれだけ簡単に作成できるかを決定する重要な要素であるようです。 この意味で、近縁な非ヒト霊長類でヒトの臓器を増殖させるのが最も簡単かもしれない。 しかし、多くの科学者は、論理的にはブタが人間の臓器の大規模生産に最も適した種であると信じています。ブタは早く成熟し、多くの産子を産み、生理学は多くの点で人間に似ています(10)。 ミニブタの体の大きさは、体重 90 ～ 200 ポンドで、典型的な研究用のサルよりも人間に似ています。 アカゲザルのオスの体重は平均約 17 ポンドしかないため、人間サイズの臓器を成長させようとすると困難が生じる可能性があります (11)。

ブタはある点では人間の臓器を成長させるのに最適であるにもかかわらず、進化的に人間との距離が離れているため、いくつかの困難が生じます。 ソーク生物学研究所での博士研究員としての研究中に、ウー氏はヒト幹細胞をこの課題により適したものにするための戦略を模索しました。

ウー博士は、ソーク研究所の他の研究者らとともに、ヒト多能性幹細胞をナイーブ幹細胞とプライム幹細胞の中間の中間型に誘導することで、2017年に初のヒトとブタのキメラ胚を作製した(12)。 これは大きな前進ではあったが、完全に人間の臓器を備えたブタとは程遠いものであった。 研究者らは、胚にはブタの細胞 100,000 個につき約 1 個のヒト細胞が含まれていると推定しました (12,13)​​。

中内氏がマウスやラットで行ったように、特定の器官の発生を促進するブタの遺伝子を削除すると、ブタの胚でより多くのヒト幹細胞が増殖するのに役立つ可能性があるが、完全にヒトの器官や組織型を作り出すにはまだ十分ではない。 ギャリー夫妻は、ヒト細胞には追加のブーストが必要であることを知っていたため、抗アポトーシス因子である BCL2 を過剰発現するヒト細胞を使用しました。 これらのブーストされたヒト細胞をマスター制御遺伝子 ETV2 を欠くブタ胚盤胞と組み合わせることで、ギャリー夫妻は完全にヒトの内皮、つまり心臓や血管を含む血管系の内側を覆う組織を備えたブタ胚を作製することに成功した(14)。

内皮移植は実現不可能ではあるが、これは依然として重要な前進であるとギャリー氏は語った。 他のモデルでは、腎臓や膵臓は別の種の細胞でできている可能性がありますが、内皮はやはり宿主細胞でできており、移植レシピエントによる臓器拒絶反応に大きな役割を果たしています。

内皮は非常に重要であるため、「単一の遺伝子欠失（ETV2）で血管系をノックアウトするだけで、すべてのブタ臓器をヒトに移植できるようにするのに十分である可能性がある。拒絶反応部位は主に血管系の内側を覆う内皮である。 」とギャリーは言いました。

ギャリー夫妻はまた、ヒトの骨格筋組織を備えたブタの胚を作成し、今回は成長を促進するためにヒトの細胞内の p53 タンパク質を削除しました (15)。 これらの研究は、ブタでヒト組織を増殖させることが可能であることを示しているが、どちらの遺伝子変異もがん増殖のリスク増加を伴うため、これらの増殖促進戦略はヒトに移植する臓器の作製には必ずしも適切ではない。

ギャリー氏のチームは現在、ヒト幹細胞と宿主胚のブタ細胞との関係の理解に取り組んでおり、これは移植予定の臓器により適したヒト細胞の増殖を促進する戦略につながる可能性がある。

「キメラ現象の効率は実際には免疫学的障壁に依存すると考えています」と彼女は言う。 「そこで、私たちは、コロンビア大学のデビッド・サックス氏のグループを含む、免疫生物学の真の専門家である他のさまざまなグループと協力しており、進歩のハードルとなるこれらすべての要因を理解するのに役立っています。」

ギャリー氏は、ブタで培養した臓器は、最短 5 年以内に人間での臨床試験に使用できるようになるだろうと推定した。

他の研究者は、進化的に遠い動物であっても効率を高めるための代替戦略を模索している(16,17)。

ウー氏は、近縁の生物とより遠縁の生物の間のキメラ現象の違いを調査することで、この分野で進歩を遂げたいと考えている。 「培養中のマウスとサルの胚盤胞におけるヒト伸長多能性幹細胞の違いを比較することは、ゲノム進化による発生初期の種の壁を理解し、これらの障壁を克服するためのより良い戦略を開発するのに役立ち、進化的により遠い種におけるヒトのキメラ現象のより強力な貢献を可能にするでしょう」 、例えば豚です」とウー氏は書いた。

この目的を達成するために、ウー博士は、ソーク生物学研究所および昆明科学技術大学の研究者チームとともに、2021年に最初のヒト-サルのキメラ胚を作成した(18)。

Wu はまた、発生中の動物細胞とヒト細胞間の細胞競合がキメラ現象の失敗の重要な要因であることを特定しました (19)。 「細胞競合は、発育中の胚から不適格な細胞を選択的に除去する品質管理機構として機能することが知られている。したがって、ヒト多能性幹細胞は、成長中の動物の胚において不適合細胞として扱われ、排除の対象となる」とWu氏は書いている。

ウー氏のチームは、このプロセスの根底にあるメカニズムを調査することで、ヒトの細胞が動物の胚の中で生き残るのを助ける方法を特定した。 マウスとヒトの胚を成長させたところ、ヒト細胞内のNF-κBシグナル伝達経路に関連する遺伝子の上方制御が見出された。 この経路は、ストレスや細胞死の一種であるアポトーシスへの反応など、さまざまな細胞機能を制御します。 この経路を遺伝子的に改変することにより、研究者らはマウス胚におけるヒト細胞の生存を改善した(19)。

バッファロー大学の幹細胞研究者である Jian Feng 氏は、マウスの胚の中でヒト細胞の成長を促す別の技術を開発中です。 ギャリーやウーとは異なり、フェンの目標は人間の臓器を成長させることではなく、神経変性疾患についての理解を深めることです。

フェン氏はもともと分子生物学者として訓練を受けていましたが、早い段階でパーキンソン病、特に PRKN 遺伝子の変異によって引き起こされる早期発症型の疾患の研究に興味を持ちました。 「分子生物学の能力を最大限に活用して、人間の複雑な病気を研究できると感じました」と彼は言う。

フェン氏はすぐに、マウスを使って人間の病気を研究するという困難に直面した。 彼がマウスの PRKN 遺伝子をノックアウトしたところ、マウスはまったく影響を受けていないようでした。 そのため、マウス人工多能性幹細胞の作成と、その後すぐに 2000 年代にヒト版の作成について読んだとき、これらのヒト細胞をこのヒトの病気の研究に使用したいとすぐに思いました。

ただし、培養細胞を研究することが必ずしも答えではありませんでした。 「人間の中枢神経系の問題を研究したいなら、回路が必要です」とフェン氏は語った。 さらに、パーキンソン病で変性する黒質のドーパミン作動性ニューロンは、皿の中で簡単に再現できません。 「これらは非常にユニークな細胞です。非常に複雑な軸索の樹枝形成を持っています」とFeng氏は述べた。 「私たちはこれらの細胞を生体内で作ることを可能にする代用物を見つける必要がありました。」

他の研究者と同様に、フェン氏は人間と動物のキメリズムの効率を向上させる戦略に取り組んできました。 Feng は、シグナル伝達タンパク質 mTOR を一時的に阻害することにより、ヒト多能性幹細胞を、マウス胚に移植した際に成長の改善を示す形態に変換した。 17 日後、マウスの胚の一部には 4% ものヒト細胞が含まれていました (16)。

最終的には、Feng 氏はキメラ技術を使用して、黒質にヒトのドーパミン作動性ニューロンを持つマウスなど、パーキンソン病のより優れたモデルを作成したいと考えています。 ただし、技術的には克服すべき課題がまだ多くあると同氏は指摘した。

人間の脳細胞を使ってげっ歯類を作るのは気の遠くなるような作業ですが、全く前例がないわけではありません。 2017年、ロチェスター大学のグループは、ヒトの統合失調症患者由来の人工多能性幹細胞から、中枢神経系の非神経細胞であるグリア細胞を有するキメラマウスを作製した(19)。 グリア細胞は異常に発達し、マウスは不安、社会的行動の障害、睡眠パターンの乱れを示したことから、グリア細胞が統合失調症の発症に何らかの役割を果たしている可能性が高く、これらのマウスが新しい治療法を開発するための改良モデルとして使用できる可能性があることが示唆された。

ごく最近では、2022 年の秋に、スタンフォード大学の研究者らが、ヒト幹細胞由来の皮質オルガノイドを新生ラットの脳に移植しました (20)。 人間のニューロンはラットの脳に統合されました。 それらを活性化すると、特定の行動が十分に誘発されます。

研究者らにはまだ多くの仕事が残されているが、研究者らは、いつの日か自分たちの努力によって移植用の臓器が提供され、精神神経疾患に対するより深い理解が得られ、世界中の命が救われ、苦しみが軽減されることを期待している。

ハンナは、2022 年に編集アシスタントとして Drug Discovery News に入社しました。彼女は 2017 年にワシントン大学で神経科学の博士号を取得し、2020 年にグローバル ジャーナリズムのダラ ラナ フェローシップを修了しました。

2023年5月号