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オルガノイドの興隆

臓器に似た立体構造体「オルガノイド」を作る研究が熱を帯びている。培養皿の中にシグナル分子を投入するだけで、細胞が自分で組織を形作るのだ。こうしてできたミニ臓器は、単一細胞の分析よりも多くの情報をもたらす場合があるだけでなく、薬の効果や副作用を調べるのにも役立つことが分かってきた。

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Nature ダイジェスト Vol. 12 No. 10 | doi : 10.1038/ndigest.2015.151024

原文:Nature (2015-07-30) | doi: 10.1038/523520a | The boom in mini stomachs, brains, breasts, kidneys and more

Cassandra Willyard

脳ができた

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2011年11月のある日、分子生物工学研究所(オーストリア・ウィーン)のポスドクだったMadeline Lancasterは、脳を偶然育ててしまったことに気付き、いつもの生活が一変した。彼女は数週間前から、ヒト胚性幹(ES)細胞に「神経ロゼット」と呼ばれる構造を形成させようとしていた。神経ロゼットとは、さまざまな種類の神経細胞(ニューロン)になる能力を備えたバラの花状の細胞塊である。しかし、どういうわけか彼女の扱っていた細胞は培養皿の底にくっつこうとはせず、浮遊して乳白色の奇妙な球状体を形成した。

「それらの球状体が何なのか、よく分かりませんでした」と、Lancasterは当時を振り返って言う。しかし彼女は、1個の球状体に奇妙な着色した斑点を見つけた。顕微鏡で見たところ、その斑点は、発生途中にある網膜の色素細胞群であることが分かった。網膜は胎生期の初期に脳から派生する。さらに、球状体の1つを切片にして調べたところ、各種のニューロンが見つかった。Lancasterは、細胞が自己集合して発生期の脳のような構造を作ったのだと直観した。そこで彼女は、指導教官である幹細胞生物学者Jürgen Knoblichの所に飛んで行き、「びっくりすることが起こりました。見に来て下さい」と告げた。

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もっとも、培養皿で脳を発生させたのはLancasterらが初めてではない。日本の研究チームが2008年に、マウスとヒトのES細胞から、大脳皮質に似た層状構造のある球状体を形成したことをすでに報告していた1。それ以来、幹細胞を臓器の芽(器官原基)まで発生させる取り組みが行われてきた。すでに世界各国の研究者が、化学シグナル類を厳密なタイミングで使って、眼や腸、肝臓、腎臓、膵臓、前立腺、肺、胃、乳腺の組織によく似た三次元構造を作り出している。こうした小さな組織は、実際の臓器の構造や機能の一部を再現しているため、オルガノイド(臓器類似構造体)と呼ばれており、ヒト発生の解明に役立てたり、疾患モデルや薬剤スクリーニングに使ったりできる。「これはおそらく、過去数年の幹細胞研究における最も大きな進展でしょう」と、ケンブリッジ大学ウェルカムトラスト/MRC幹細胞研究所(英国)の所長Austin Smithは話す。

といっても、現在のオルガノイドは完璧なものではない。重要な細胞種が欠けているものもあれば、臓器発生の最も初期段階しか再現できないものもあり、バッチ(1回の処理でできたもの)間の変動もある。そのため研究者は、自分の作るオルガノイドをより複雑で、より成熟していて、より再現性の高いものに改良すべく研究に精を出している。生物学者は、ほとんど刺激しなくても幹細胞が自己集合して複雑な構造を作ってしまうことに、いまだに驚きを覚えている。「オルガノイドを発生させるのに、難しい高度なバイオ工学は必要ありません」とKnoblichは話す。「幹細胞にやりたいようにさせるだけでいいのです。そうすれば脳ができます」。

腸を育てる

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しかし、クイーンズランド大学(オーストラリア・ブリスベーン)の分子生物学者Melissa Littleによれば、その程度で驚いてはいけないようだ。「信じがたいことですが、胚そのものが自己組織化する能力を持っており、手本や地図を必要としないのです」とLittle。1900年代初頭に、発生学者が海綿をばらばらの細胞にしても再び集合できることを明らかにし、それ以降、こうした自己組織化能力の存在がよく知られるようになった。しかし、この分野の研究はやがて廃れ、近年の生物学者はその関心を細胞の精製と培養による増殖に移してしまった。培養した細胞は往々にして平板な層となり、ヒトの正常組織に似た構造にはならない。

こうした培養細胞を調べて臓器が働く仕組みを解明しようとすることは、1軒の家がどんな機能を持っているかを明らかにするのにそのレンガから1個ずつ調べるようなものであり、「どうせなら家を作ることから始めたほうがいい」と、ローレンスバークレー国立研究所(米国カリフォルニア州バークレー)のがん研究者Mina Bissellは話す。乳腺細胞の培養に関するBissellの研究は、三次元培養では細胞の挙動が従来の平板培養とはさまざまに異なるという考え方の普及を後押しし、2000年代半ばにはそれが一般に受け入れられるようになった。この熱い流れにさらに燃料を投下したのが、理化学研究所 発生・再生科学総合研究センター(現 多細胞システム形成研究センター、CDB;兵庫県神戸市)の幹細胞生物学者、笹井芳樹だった。彼は2008年にES細胞から大脳皮質を発生させて注目を集めた1。その後も、眼の発生途上の構造である眼杯2や下垂体3の形成を報告した(Natureダイジェスト 2012年11月号「『出逢いの演出家』に徹して脳の発生を再現」参照)。

笹井が層状の大脳皮質形成を報告したちょうど1年後、ヒュブレヒト研究所(オランダ・ユトレヒト)の幹細胞研究者Hans Cleversは、ミニ腸管を作り出したことを明らかにした4。この画期的な成果は、2007年にCleversが同僚らとマウスの腸幹細胞を見つけたことに端を発する。これらの細胞は、マウスの腸管内壁を隙間なく覆うための無限に分裂する能力を持っているように見えた。Cleversの研究室でそれらの細胞を培養する作業を担っていたのが、当時ポスドクだった佐藤俊朗だ。

Cleversと佐藤は、これらの細胞を平板に増殖させるのではなく、マトリゲルの中に埋没させることにした。これは、細胞外マトリックス(細胞を取り巻く分子の網目構造)に似た軟らかいゼリーだ。Cleversは「とにかく、やってみました。ひょっとしたら、細胞が集合した球状体もしくは塊ができるのではないかと思ったのです」と振り返る。その数カ月後にCleversが佐藤の顕微鏡を覗いたところ、単なる細胞塊を超えるものが眼に飛び込んできた。細胞は分裂して複数の細胞種に分化し、中空の球状体を形成して、こぶ状に突き出た構造が点在していたのだ。球状体の内側には、腸で栄養を吸収する絨毛に似た構造や、絨毛の間にある陰窩と呼ばれる深い窪みに似た構造が見られた。「驚いたことに、それらの構造は本物の腸のように見えました。見事なほどでした」とClevers。

2009年に報告されたこの小さな腸は、個別化医療の強力なツールになる可能性がある。Cleversのチームはこれを使って、嚢胞性繊維症患者に対する薬剤の有効性を調べているところだ。この疾患の患者にはイオンチャネルに影響を及ぼす遺伝子異常があるため、肺や腸の内壁を覆う細胞での水の出入りが損なわれている。そこで、嚢胞性繊維症患者に直腸生検を行い、採取した細胞を使って患者ごとの腸オルガノイドを作製し、それに薬剤候補を投与するのだ。もしこの治療法でイオンチャネルが開けば、水が細胞内に流入できるようになってオルガノイドは膨らむ。「これは白黒がはっきりつく検査法」であり、患者で試験するよりも短時間かつ低コストで薬剤の効果を判定できるだろうとCleversは話す。

彼はすでに、この検査システムを使って、カリデコ(Kalydeco;物質名イバカフトル)という薬剤やその他5種類の嚢胞性繊維症の治療薬候補の効き目を約100人の患者で評価した。その結果、これらの患者のうち少なくとも2人は現在、カリデコを服用している。

オルガノイドは、がん患者に対する最良の治療法を医師が選択する際にも役立ってくれそうだ。2015年5月にCleversらは、大腸腫瘍から取り出した細胞に由来する「オルガノイド銀行」を作ったことを報告し5、その少し前の1月には、コールド・スプリング・ハーバー研究所(米国ニューヨーク州)のがん研究者David TuvesonがCleversとの共同研究で、膵臓がん患者の生検試料を使って膵臓オルガノイドを作製している6。どちらの研究でも、オルガノイドを使って、特定の腫瘍に最もよく効く薬剤を見つけることができた。「患者が求めているものは、自身のがんに対する理論的アプローチです。オルガノイドで何が分かりつつあるかを考えると大いに興奮します」とTuveson。

ミニサイズの胃

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そうした興奮を、シンシナティ小児病院医療センター(米国オハイオ州)の発生生物学者James Wellsも味わっている。彼のチームは2014年に、ヒトの胃に部分的に似たオルガノイドを作製したことを報告した7

ただし、Wellsが作製に使った素材はCleversとは違っていた。Cleversのチームは、限られた種類の細胞種しか生み出せない成体幹細胞からオルガノイドを生成させたが、Wellsのチームは、ほぼ全ての細胞種に分化できるES細胞を使ったのだ。そのためWellsらは、より複雑なミニ臓器を作ることができた。

Wellsは10年前に同僚と、ヒトES細胞をうまく誘導して腸管細胞を作らせる試みを始めた。彼らが2つの重要なシグナル伝達経路を操作したところ、細胞層が小さな丸い芽のような構造を作り出した。Wellsは、これらの「球状体(spheroid)」が妊娠4週目の胚に見られる単純な腸管の断面にそっくりなことに気付き、ゾクゾクした。まさにその時、さまざまなオルガノイドを開発するための出発点に自分が立っていることを実感したからだ。「口から肛門までのあらゆる臓器、つまり食道、肺、気管、胃、膵臓、肝臓、腸、膀胱といったものの全てが、この極めて原始的な腸管からできるのです」と彼は話す。

Wellsのチームは、文献や自らの過去の経験を徹底的に検討し、原始的な腸管を特定臓器の発生経路へと導く化学的合図を絞り込んだ。そして2011年、この戦略でチーム初となるヒト由来オルガノイドの作出に成功した8。それはゴマ粒ほどの大きさの腸だった。しかし、胃を発生させることは腸を作るよりもずっと難しかった。ヒトの胃には、いちばん上にあって胃酸を大量に産生する胃底部と、いちばん下にあって多くの重要な消化管ホルモンを産生する前庭部という、2つの重要な領域がある。だが、それぞれの形成を導くシグナル伝達経路は分かっていなかった。しかも、「ヒトの胃は大半の実験動物の胃と異なっている」と、Wellsの研究室にかつて大学院生として在籍したKyle McCrackenは説明する。つまり、優れた動物モデルはいまだに存在しないのだ。彼は現在、シンシナティ小児病院医療センターの医学生となっている。

Wellsのチームは試行錯誤方式で取り組んだ。いくつかの目星を付けて、増殖因子のさまざまな組み合わせを根気よく試し続けたのだ。最終的に彼らの努力は報われた。2014年の論文7でWellsのチームは、胃前庭部に似たオルガノイドを作製したことを明らかにした。また、これをモデル系に使って、胃底部の発生を促す化学的トリガーを見つけ出した。現在彼らは、胃酸分泌を調節している因子などの胃の発生や生理に関する基本的な疑問を解き明かそうと研究を続けている。また、すでに作製に成功した原始的な腸管から腸や胃以外のミニ臓器を作り出すことも試みている。

オルガノイドでヒト発生を調べることができるという点に興奮を覚えているのは、ガードン研究所(英国ケンブリッジ)の発生遺伝学者Daniel St Johnstonだ。「細胞が自己組織化して複雑な構造を作っていくところを、実際に見ることができるのですから」と彼は言う。ヒトの胚では本来そんなことは不可能だ。ただし、大半のオルガノイドはまだ単一の組織であり、発生生物学者が得られる情報は限られていると彼は話す。「生物個体は全体の生理状態に左右されるため、オルガノイドでは取り組めないような疑問が実際にいくつかあるのです」。

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ベビー腎臓

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Melissa Littleは10年以上前から腎臓の高度な複雑さにずっと驚嘆してきた。「成人の腎臓にはおそらく25〜30種類の細胞種があり、それぞれ異なる仕事をしています」と彼女は話す。腎臓には機能単位となるネフロンという細管構造が多数あり、ここで血液の血漿成分がろ過されて尿が生成される。ネフロンを取り巻く組織は間質と呼ばれ、入り組んだ血管網や尿を運び出す尿細管を支えている。

Littleのチームは、ES細胞をネフロンの前駆細胞に分化させることに2010年から取り組み始め、増殖因子の組み合わせや投与時期をさまざまに変えて試す日々が続いた。「前に進むために、まず多くの試行錯誤を重ねました」と彼女は振り返る。そして2013年、チームはついに適正な組み合わせと時期を探し当てた。Littleの当初の目標は、前駆細胞を作り出すことだけであった。ところが培養皿の中を見ると、2種類の細胞がまるで胚発生のときのように自発的にパターン形成をしていた。「見た瞬間、『わあ、すごい!』と感激しました」とLittle。

このオルガノイドは成人の腎臓よりも胚の腎臓に似ており、ネフロンの前駆細胞と尿細管になる細胞の混合体だった9。「このオルガノイドをさらに成熟した構造にするのが、また難しいのです」とLittleは言う。彼女のチームは現在も、血管と間質のあるもっと複雑なオルガノイドを育てるべく研究を続けている。さらに次の目標は、できたミニ腎臓をマウスに移植し、体内で成熟して尿を生成するかどうかを見ることだ。「どんなものが作れるのか、本当にわくわくします」とLittleは話す。

腎臓は薬剤の代謝や排出で重要な役割を担っていることから、Littleは、臨床試験に入る前の薬剤候補の毒性検査に自分たちの作ったミニ腎臓が役立つのではないかと考えている。また研究者の間には、心臓や肝臓といった他のヒトオルガノイドも同様に、薬剤候補の有害作用の検査に使えるのではないかという見方もある。つまり、薬剤候補に対する臓器の応答は、従来の標準的な培養組織や動物を使っても調べることが可能だが、オルガノイドならそれ以上の情報が得られるのではないかというのだ。

しかし、すでに前立腺オルガノイドを作製しているコロンビア大学(米国ニューヨーク州)の幹細胞研究者Michael Shenは、オルガノイドを使ったモデル系が実験動物に完全に取って代わるという見方に対して懐疑的だ。例えば、動物体を使えば免疫系に対する治療の影響を見ることができるが、これは現在のところオルガノイド系では不可能だ。「実験で得た知見の正当性を生体の系で評価できればありがたいですよね。私はオルガノイド系がそのための厳格な検査手段になるとみています」とShenは話す。

小さな肝臓

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武部貴則が肝臓を育てようという気になったのは、ある悲惨な状況を米国ニューヨーク州で見てからだ。武部が2010年にコロンビア大学の臓器移植部門で研修生をしていたとき、移植用臓器があれば助かるだろう肝不全の患者たちが次々と亡くなるのを目にした。「あれは悲しむべき状況でした」と彼は振り返る。武部は組織工学による取り組みも考えたが、人工の足場に細胞を播種するような通常の方法では失敗する可能性が高いように思われた。問題の一因は、成人の肝細胞が非常に増殖しにくい点にあると彼は言う。「成人の肝細胞を取り出して培養しても、2時間も維持できないのです」。

その後、横浜市立大学大学院医学系研究科の谷口英樹の研究室に職を得た武部は、人工多能性幹(iPS)細胞を使って研究することに決めた。iPS細胞は、成人体細胞の再プログラム化によってES細胞のような分化能を持つようになった細胞である。武部は、ヒトiPS細胞から肝細胞の前駆細胞、つまり肝芽細胞(hepatoblast)を作り出した。胚内の肝芽細胞は、近隣の他の細胞からのシグナルが奏でる複雑な「シンフォニー」に身を委ねて成熟していく。そこで武部は、培養皿で肝臓を発生させるには、そうした支持細胞も必要なのではないかと考えた。彼は同僚らとともに、そうした支持細胞(間葉系細胞や血管内皮細胞)を肝芽細胞と混合した。すると、実際にうまくいき、「肝臓の芽(肝芽)」を何とか作製できた。この肝芽はレンズ豆ほどの大きさで、6週目のヒト胎児の肝臓に似た構造をしていた10。武部らはさらに、こうした肝芽が、成熟した肝細胞とは違って、培養で2カ月間維持できることも見つけた。

完全な肝臓はいくつかの区分(葉)に分かれ、ずっしりと重く、数百億個もの肝細胞からなる臓器だが、肝芽の構造はそれとは程遠い。しかし武部は、機能不全に陥った肝臓にこうした肝芽を数千個注入できれば、肝機能を十分に救済して移植が不要になるのではないかと考えている。この手法はマウスではうまくいくようである。武部らがマウス腹部に肝芽を10個余り移植したところ、劇的な効果が見られたのだ。移植後2日以内に、肝芽はマウスの血液供給を受けるようになり、肝芽の細胞は発生を続け、その結果成熟してできた肝細胞は肝臓特異的なタンパク質を産生したり薬剤を代謝したりできた。武部らは肝不全を模倣するために、マウスの正常な肝機能を有毒な薬剤で消し去った。1ヶ月後、何もしなかった対照群マウスの大半はすでに死んでいたが、肝芽を移植したマウスの多くは生存していた。

武部のチームは、4年後にはヒトでの臨床試験に着手したいと考えている。「我々が対象として考えているのは、肝移植を切実に必要としている子どもです」と彼は話す。彼は同僚らと現在、肝臓に栄養を供給する太い門脈から肝芽を注入して治療するために、肝芽をもっと小さく大量に作る方法の研究を進めている。このスケジュールは実行可能だと武部は考えている。しかしSmithは、この工程は急ぎ過ぎに思えると言い、臨床利用の前に、これらのミニ臓器の基礎的な生物学を十分解明しておく必要があると話している。「よちよち歩きが始まる前に走り出そうとしているようなものです」とSmith。

もちろん生物学者らは、ミニ臓器が今はまだ本物の臓器の粗末な模倣品にすぎないと分かっている。しかしミニ臓器はちょっとした目標をもたらしてくれたと、ウェイクフォレスト再生医療研究所(米国ノースカロライナ州ウィンストンセーラム)の所長Anthony Atalaは言う。「長期の目標は、ヒト臓器の機能を余すところなく再現できるようになることです」。すでにこの研究領域には発生生物学者、幹細胞生物学者、臨床科学者が集結している。当面の目標は、もっと大きくて、もっと多くの細胞種を集積させた、実物により近い臓器を作り上げることだ。

またWellsは、現在の初歩的なオルガノイドでも、動物モデルでは難しいと思われるような発見を次々ともたらしていると話す。動物モデルで分子シグナルを操作することは難しいが、「培養皿の中なら簡単です」と彼は言う。「それに、シグナルとなる化学物質やタンパク質は手元にそろっているので、培養皿へ投入するだけでいいのです」。

(翻訳:船田晶子)

Cassandra Willyardは、米国ウィスコンシン州マディソン在住のサイエンスライター。

参考文献

  1. Eiraku, M. et al. Cell Stem Cell 3, 519–532 (2008).
  2. Eiraku, M. et al. Nature 472, 51–56 (2011).
  3. Suga, H. et al. Nature 480, 57–62 (2011).
  4. Sato, T. et al. Nature 459, 262–265 (2009).
  5. van de Wetering, M. et al. Cell 161, 933–945 (2015).
  6. Boj, S. F. et al. Cell 160, 324–338 (2015).
  7. McCracken, K. W. et al. Nature 516, 400–404 (2014).
  8. Spence, J. R. et al. Nature 470, 105–109 (2011).
  9. Takasato, M. et al. Nature Cell Biol. 16, 118–126 (2014).
  10. Takebe, T. et al. Nature 499, 481–484 (2013).

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Nature ダイジェスト Online edition: ISSN 2424-0702 Print edition: ISSN 2189-7778

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