iPS細胞を用いた胎児の形態異常の解明　奥野博庸（生理学）

研究の背景

胎児の時期に症状が出現しはじめ、生まれつき障害を持つ症候群では、これまで病気ができあがる過程を観察することができず、どのようにして症状が形成されているかを解明することが困難でした。動物を用いて病気モデルを作り、病気を研究する試みもなされていますが、動物とヒトとの違いのため期待した病気モデルとならなかったり、モデルとなる動物が犠牲になるという倫理的な課題がありました。

人工多能性幹細胞（iPS細胞）は、少量の患者の皮膚や血液より作成することができ、また身体のあらゆる組織や細胞になることが可能な細胞株です。iPS細胞を利用して、病気の主体となっている組織の細胞種を作り出すことにより、これまで観察することが困難であったヒト胎生期の細胞を作り出し、観察したり解析することが可能となりました。

研究の概要

我々は、生まれつき目、耳や顔面形成に異常を持つCHARGE症候群患者について、iPS細胞を用いた病気モデルを作成しました。頭部神経堤細胞は、胎児の間に目、耳、鼻などの感覚器や顔の形成などに重要な役割を持つために、CHARGE症候群では、神経堤細胞が病気の形成に大きく関係していると長らく推測されてはいましたが、明らかにはされていません。2004年にCHARGE症候群の患者さんにCHD７遺伝子異常があることが分かり、この遺伝子が、ヒトでどのような働きをしているのか注目が集まっています。

我々は、CHARGE症候群の患者さん２名およびそれぞれの親御さんより協力を得て5mm大の皮膚細胞を採取し、それよりiPS細胞を作りました。作製したiPS細胞を、培地（細胞を培養するための液体）などの細胞環境を調整することで神経堤細胞を作製しました。この神経堤細胞はさらに神経や骨、軟骨、筋肉、脂肪などの様々な組織になることができます。またCHARGE症候群ではない健常者の皮膚細胞からもiPS細胞を作製し、同様に神経堤細胞を作りました。神経堤細胞は胎児の間に作られ、自ら動いて、身体の色々な場所の組織に行くことが知られています。この細胞の動きを観察した結果、CHARGE症候群患者より作製された神経堤細胞は周りの細胞とお互いに引っ付いたままであり動き出さず（図１）、また動き出した後もその速度が遅いことが分かりました（図２）。

図１. 健常者とCHARGE症候群患者のiPS細胞由来神経堤細胞の比較
CHARGE症候群患者iPS細胞由来神経堤細胞はお互いに接着した状態が持続し、個々にバラバラとなりにくい。
（参考文献のFig4 (A)より）

図２. 培養皿上での健常者とCHARGE症候群患者のiPS細胞由来神経堤細胞の動く速度の違い
健常者およびCHARGE症候群患者iPS細胞由来神経堤細胞を別々の色に染めて同じ環境下で16時間動きを観察したところ、CHARGE症候群細胞株で速度が低下していた。
（左：参考文献のFig6 (A)（一部改変）、右： Fig6 (B)より）

次に、この動きの障害（遊走障害）が実際に胎児内でも起こっているか否かを調べるために、作製した神経堤細胞をニワトリ胚に移植したところCHARGE症候群患者由来の神経堤細胞では遊走障害が起こることが判明しました（図３）。

図３. ニワトリ胚内での健常者とCHARGE症候群患者のiPS細胞由来神経堤細胞の動く速度の違い
健常者由来神経堤細胞（緑）とCHARGE症候群由来神経堤細胞（赤）を別々に染めたものをニワトリ胚の背中側に移植し36時間後に観察した。健常者由来細胞の方が腹側に多く到達していた（黄色は健常者由来とCHARGE症候群由来細胞が重なってみえた部位）。

実際に患者の神経堤細胞を観察しても、遊走に障害があることが、今回の研究により初めて明らかになりました。近年、様々な疾患の研究において、iPS細胞を利用した病気のモデル作製が行われていますが、それらはRNA やタンパク発現を解析して病態を類推するものが主流になっています。今回、我々はRNAやタンパク発現だけではなく、実際に細胞の動きを培養皿上およびニワトリ胚の中で観察することにより、遊走障害を直接的に観察するモデルの作成に成功したことがこの研究の成果でもあります。

研究の成果と意義・今後の展開

今までの研究により、CHARGE症候群はCHD7という遺伝子の機能不全が原因となっており、いろいろな遺伝子の発現を制御していることが知られています。我々が今回作成したiPS細胞モデルを用いることで、神経堤細胞の遊走障害に直接関わる因子を見つけ出し、それを解明していくことが可能になりました。このiPS細胞を用いた病気モデルは、細胞の動きを実際に観察することができるというユニークなシステムであり、より直接的に障害の形成を観察できる点で優れています。このモデルを応用し、神経堤細胞の障害により生じる多くの病気のモデル系を探索することで、病態解明および治療を目標とした研究への道筋につながることを期待しています。安全性が重要視される様々な創薬研究において、このモデルは初期の胎児の神経堤細胞に影響を与える薬剤の安全性スクリーニングにも応用可能です。今までは動物実験を用いて新規開発された薬剤の安全確認が行われていますが、ヒトとの種差が存在するために、動物実験では問題がなかった薬剤がヒトには毒性を与えたという事例もあります。本研究で用いた細胞はヒト細胞であり、ヒトへの影響を直接的に確認することができるというだけでなく、動物実験の負担を軽くし、より少ない動物実験で薬の安全性確認をすることが可能になるのはないかと考えています。

参考文献

CHARGE syndrome modeling using patient-iPSCs reveals defective migration of neural crest cells harboring CHD7 mutations.
Okuno H, Renault Mihara F, Ohta S, Fukuda K, Kurosawa K, Akamatsu W, Sanosaka T, Kohyama J, Hayashi K, Nakajima K, Takahashi T, Wysocka J, Kosaki K, Okano H.
eLife. 2017 Nov 28;6. pii: e21114. doi: 10.7554/eLife.21114.

左：筆者（生理学教室助教）、右：岡野栄之（同教授）

最終更新日：2018年7月1日
記事作成日：2018年7月1日

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    ～老化による脳萎縮を部分的に防ぐことに成功～
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  • 脳梗塞における神経症状回復を促す新規免疫細胞の発見　伊藤美菜子、吉村昭彦(微生物学・免疫学)
  • 顕微鏡で観察するがん免疫の世界とその分類　紅林泰、坂元亨宇（病理学）
  • 記憶・学習のしくみを理解し、操作するための新しい技術
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• 2018年
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  • iPS細胞技術を用いた筋萎縮性側索硬化症(ALS)の病態解析と創薬研究
    藤森康希、岡野栄之（生理学）
  • 10億個のヒトiPS細胞由来の心室筋細胞を一度に作製する方法の開発
    遠山周吾、藤田淳 (循環器内科)
  • 横紋筋融解症に続発する腎不全の新たなメカニズムの解明
    大久保光修、平橋淳一（総合診療教育センター）
  • iPS細胞を用いた胎児の形態異常の解明
    奥野博庸（生理学）
  • 紫光（バイオレットライト）の成人強度近視に対する近視進行抑制の可能性
    鳥居秀成、根岸一乃（眼科）
  • 口腔には腸管に定着すると免疫を活性化する細菌がいる
    本田賢也、新幸二（微生物学・免疫学）
  • 新しい遺伝子発現システムによる心筋細胞の誘導と心臓再生への応用
    梅井智彦、家田真樹（循環器内科）
  • 広汎性子宮頸部摘出術後妊娠における残存頸管長と早産リスクの関連は？
    宮越敬（産婦人科）
  • リン代謝を制御するものは老化を制御する
    宮本健史（整形外科）
  • DNAメチル化解析による脊髄移植後の腫瘍化の原因解明
    飯田剛（整形外科）
• 2017年
  • HDLコレステロールが低い日本人の冠動脈疾患死亡リスク
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  • 細胞周期の異常はがんの進展にとって敵にも味方にもなる
    石澤丈（先端医科学研究所）
  • 脳梗塞後の炎症が収まる仕組みの解明と治療への応用
    七田 崇、吉村 昭彦（微生物学・免疫学）
  • 腹外側線条体の神経細胞が意欲の維持に関わる
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  • 非小細胞肺がんで使用される分子標的薬の耐性化メカニズムの解明
    額賀重成（呼吸器内科）
  • 内耳性難聴に対するiPS創薬研究－新規病態の発見と治療薬の同定－
    藤岡 正人、細谷 誠（耳鼻咽喉科）　
  • 食べ過ぎが糖尿病や心血管疾患の発症を起こすメカニズムを解明
    白川公亮（循環器内科）
  • バルプロ酸への胎内曝露が胎児の大脳皮質形成を障害する
    藤村公乃（小児科）
  • 血液を作る幹細胞がストレスを受けて増殖する仕組みを発見
    雁金大樹（血液内科）
  • 間葉系幹細胞の免疫性線維化における役割
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  • 肥満に伴う大腸マクロファージによる炎症が糖尿病発症につながる
    川野義長（腎臓・内分泌・代謝内科）
  • 眼球内の不要となった血管を退縮させる仕組み
    久保田義顕（機能形態学）
• 2016年
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  • MIRAGE症候群の発見
    鳴海 覚志、長谷川奉延（小児科）
  • 日本における認知症の社会的コスト
    佐渡充洋（精神・神経科）
  • 神経細胞の興奮の起こりやすさを制御する新しいメカニズムを解明
    松田恵子（生理学）
  • 新規筋萎縮性側索硬化症（ALS）モデルマウスの樹立に成功
    椎橋 元（神経内科）
  • 脳や脊髄の「ミエリン」をMRIで可視化する新技術
    中原 仁（神経内科）
  • 椎間板変性に対する新規治療薬の開発
    藤田順之（整形外科）
  • 乳酸アシドーシスの新規治療法の開発
    南嶋洋司（医化学）
  • 本来の位置にたどり着けない神経細胞が及ぼす脳への影響
    久保健一郎（解剖学）
  • 百寿者から探る健康長寿の秘訣
    新井康通（百寿総合研究センター）
  • iPS細胞から神経細胞を作り分ける新技術
    今泉研人（医学部5年）
  • 腸管免疫の恒常性における腸内細菌の役割
    柏木一公（微生物学・免疫学）
• 2015年
  • 高脂血症治療薬が急性腎障害を軽減するメカニズム
    吉田 理（血液浄化・透析センター）
  • 子宮の幹細胞と再生医学
    丸山哲夫（産科）
  • 生殖細胞のゲノムを守る小さなRNA分子
    齋藤 都暁（分子生物学）
  • 神経の働きを調節する新たなメカニズムを発見
    鈴木 将貴（解剖学）
  • 筋ジストロフィーに対する筋肉再生療法の開発
    湯浅慎介（循環器内科）
  • 閉経後骨粗鬆症を発症させる因子の同定に成功
    宮本健史（整形外科）
  • 筋萎縮性側策硬化症―新たな病態の解明―
    山川眞以（医学部5年）、伊東大介（神経内科）
  • 生体内ガス分子が介するがん細胞の代謝制御機構
    山本雄広（医化学）
  • 肥大型心筋症を悪化させる因子の同定に成功
    田中敦史（循環器内科）
• 2014年
  • がん間質を抑制するTIMP分子－新たながん治療戦略への期待－
    下田 将之（病理学）
  • ドライアイの病態解明をめざして―臨床と基礎研究をつなぐ―
    小川 葉子（眼科）
  • 長島型掌蹠角化症－疾患の発見から原因遺伝子の解明へ－
    久保 亮治（皮膚科）
  • 心電図から突然死のリスクを探る
    相澤 義泰（循環器内科）
  • 記憶・学習のメカニズムを分子レベルで明らかに―記憶・学習を操作できるか
    幸田 和久（生理学）
  • 脳梗塞を悪化させる炎症の仕組みを解明
    七田 崇（微生物学・免疫学）
  • 再生医学でヒトの細胞から毛をつくる
    大山 学（皮膚科）
• 2013年
  • 尿細管－糸球体連関：糖尿病性腎症の新しい発症メカニズムの解明
    長谷川一宏（腎臓・内分泌・代謝内科）
  • 神経幹細胞を作る
    赤松和土（生理学）
  • 難聴に対する、薬剤を用いた内耳有毛細胞の再生医療
    藤岡 正人（耳鼻咽喉科）
  • 脳・脊髄のガン（グリオブラストーマ）に対する新たな分子標的治療戦略
    岩波　明生（整形外科）
  • がん幹細胞におけるCD44vを介した治療抵抗性の獲得メカニズム
    永野　修（先端医科学研究所）
  • ヒトES・iPS細胞からつくった心筋細胞で心臓病を治すには？
    遠山周吾（循環器内科）
  • 造血幹細胞を老化から守る代謝制御メカニズム
    田久保 圭誉（発生・分子生物学）
  • 重症喘息に効く新しい薬を創る！　－オメガ3脂肪酸の抗炎症作用－
    宮田 純（呼吸器内科）
  • 血漿アミノ酸プロファイルを用いたIBDバイオマーカーの確立
    久松理一（消化器内科）
  • がん血管のみではたらく血管増殖メカニズム
    久保田義顕（総合医科学研究センター）
• 2012年
  • 骨は"ストレス"によって成熟する？
    堀内 圭輔（整形外科・総合医科学研究センター）
  • 毛の新たなる存在意義　－毛嚢は免疫スイッチ－
    永尾 圭介（皮膚科）
  • 心筋梗塞の傷跡をよくする白血球・悪くする白血球・調節する白血球
    安西 淳（循環器内科）
  • ビタミンEは骨を減らす？
    竹田 秀（腎臓・内分泌・代謝内科）