何？ 「人間の腎臓」は豚の体内で成長できるのか？私たちの科学者がそれをやりました!

映画やテレビドラマでは、主人公が臓器移植を必要とするというストーリーがよく見られます。これらの土地は、実は私たちからそれほど遠くないところにあります。

末期の臓器不全により臓器移植を待つ患者は年間約30万人いるが、実際に行われる臓器移植の件数は年間約2万件に過ぎない。自動車部品を生産するのと同じように、適切な臓器を十分に生産できれば、治療を必要とする無数の患者を救うことができるかもしれないし、「不死」さえも達成できるかもしれない。

2023年9月、中国の科学者らは国際学術誌「Cell Stem Cell」に表紙論文を発表し、豚の体内でヒト化中期腎臓の培養に成功したと発表した。これは、ヒト化機能臓器の異種生体内培養の世界で初めての報告例です。

画像出典: Cell Stem Cell最新号の表紙

細胞から臓器へはどうやって移行するのでしょうか?

種子は栽培によって巨大な樹木に成長しますが、人間に成長する「種子」は受精卵と呼ばれます。受精卵は精子と卵子の受精によって形成される万能細胞です。この細胞が全能性を持つと言われるのは、細胞の増殖と分化を通じて、同じ遺伝物質を持ちながら同じ機能または異なる機能を持つ 40 兆から 60 兆個の細胞を生み出すことができるからです。

その中で同じ種類の細胞が集まって、ある特定の構造と機能を持つ組織を形成します。たとえば、私たちの筋肉組織は筋肉細胞の集合によって形成されます。さまざまな機能組織の有機的な組み合わせと成長と発達により、特定の形状と機能を備えた器官が形成されます。たとえば、心臓は心筋組織、心内膜組織、心膜組織で構成されています。

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臓器の形成は胎芽期と胎児期に完了し、成人の臓器のほとんどは大規模な再生と再構築を経ることはなくなりますが、損傷した臓器を修復するために一部の幹細胞が体内に保持されます。例えば、私たちの血液細胞は骨髄造血幹細胞の分裂と分化によって生成されますが、これが骨髄移植が白血病を治せる理由でもあります。皮膚が傷つくと、皮膚幹細胞の基底層が分化して補充され、これが傷の治癒の鍵でもあります。

原理的には、幹細胞を入手することで体外で臓器を培養することは可能ですが、臓器は細胞の物理的な重ね合わせではありません。正確な生理学的調節が必要です。

体外臓器培養はどのようにして実現されるのでしょうか?

臓器の発達制御メカニズムに関する洞察は、体外で臓器を培養するための前提条件です。多くの科学者の努力により、臓器の発達制御メカニズムが予備的に解明され、皮膚のような比較的単純な構造を持つ臓器も試験管内で培養できるようになりました。

2022年、上海長海病院火傷外科は、広範囲の火傷の傷を修復する中国初の「自己表皮細胞移植技術」を成功裏に実施した。外科チームはまず、患者から正常な皮膚を5平方センチメートル切り取り、それを細胞培養マトリックスで培養した。

成長調節因子の作用により、自己表皮細胞は2週間以内に元の数の4,000倍以上に増殖し、最終的に形成された自己表皮細胞膜が患者に移植されました。従来の患者の初期回復期間は2〜3か月でしたが、1か月に短縮され、皮膚損傷の修復率は100％と高く、患者はベッドから起き上がり、正常に歩くことができました。

皮膚よりも複雑な臓器の場合、科学者は生体医学的材料を使用して、筋肉、骨、卵巣などの臓器の体外または体内での培養を完了します。骨組織の再生を例にとると、科学者はまずバイオメディカル材料を使用して細胞の足場を構築し、幹細胞が生存するための三次元空間を制限します。次に、分離された自己骨芽細胞、骨髄間質幹細胞、軟骨細胞を細胞足場に付着させて培養します。調節因子の刺激と栄養素の作用により、これらの幹細胞は事前に製造された三次元の足場上で成長し、移植用の骨を形成します。

骨組織の再生と修復のための豆腐ベースのハイドロゲル足場の概略図。画像出典：参考文献[4] [5]

より複雑な臓器については、科学者は実験室でミニ心臓やミニ脳を育てることに成功しているものの、臓器の発達メカニズムに関する徹底的な研究が不足しているため、移植に適したサイズと完全な機能を備えた人間の臓器を実験室で完全に育てることはまだ不可能である。そのため、異種移植や、他の種を利用して人間の臓器を培養することが、科学者の研究の焦点の一つとなっている。

しかし、異種臓器移植や培養には重大な安全上の問題があり、その中で最も重要なのは免疫拒絶反応です。免疫システムは私たちの体の防衛部門です。その機能は、「自己」と「非自己」を識別し、身体の臓器などの「自己」の構成要素を保護し、ウイルス、細菌、異種臓器などの「非自己」の構成要素を殺すことです。これまで異種臓器移植を受けた患者の主な死亡原因は免疫拒絶であった。

バイオテクノロジーの発展により、遺伝子編集技術は免疫拒絶反応を減らし、臓器移植の生存率を向上させる解決策を提供します。

豚が「人間の腎臓」を育てる？

科学者たちは継続的な努力を通じて、免疫拒絶と腎臓形成を担う遺伝子の機能についてより深い理解を獲得しました。

この研究では、科学者たちは遺伝子編集技術を使用して、豚の免疫拒絶反応の原因となる遺伝子をノックアウトし、免疫不全の豚モデルを作成しました。しかし、免疫拒絶反応がなくても、ヒト幹細胞を豚の体内で生存させ、豚の体内でヒト化腎臓に分化させることは依然として大きな課題です。

研究チームは、豚の中で強い生存・分化能力を持つキメラ幹細胞を得るために、種間障壁機構について詳細な研究を行い、MYCNとBCL2という2つの遺伝子の過剰発現によってヒト幹細胞が豚の中でよりよく生存できることを発見した。幹細胞培養培地に分化促進化合物と調節因子を添加することで、生存能力と分化能力を兼ね備えた腎幹細胞（4CL/N/B細胞）を最終的に得ることができました。

画像出典：参考文献[1]

細胞の生存という重要な問題は解決したが、豚に移植されたヒト幹細胞を豚の幹細胞と置き換えて「ヒト化腎臓」に成長させる方法は、科学者が直面するもう一つの難題である。研究チームは、腎臓機能不全の豚を得るために、豚の腎臓の発達に関与するいくつかの重要な遺伝子をノックアウトし、それによってヒト細胞がそれらを「置き換える」のに十分な発達スペースを確保することを決定した。胚補償と呼ばれるこの技術は、長い間、異種臓器培養における重要な課題となってきました。

複数の研究チームの緊密な協力と度重なる試行を経て、ヒト化腎臓を培養するための最適な計画が最終的に決定されました。胚発生の初期胚盤胞段階に桑実胚から3～5個のヒト幹細胞を注入することで、キメラ胚を得られる可能性を最大限に高めることができます。同時に、ヒトとブタの細胞の培養条件の違いによりキメラ胚を体外で培養することが難しいという問題を解決するために、研究チームは広範な探索を通じてキメラ胚の最適な培養条件を決定しました。複数のチームの共同の努力により、移植された1,820個の胚のうち5個の腎臓が第2段階まで発達した。解剖の結果、腎臓細胞の70％がヒト由来であることが判明し、キメラ腎臓の培養が成功したことが示された。

オルガノイドを成長させるプロセス。画像出典：参考文献[1]

実際、豚以外にも、サル、マウス、ヤギなど、オルガノイド研究に使われる動物は数多くあります。しかし、異種移植であれ臓器培養であれ、豚は最も一般的な臓器提供者です。なぜなら、他の動物と比較して、豚と人間の臓器は大きさ、構造、機能が似ており、適合しやすいからです。同時に、豚は成熟した家畜であるため、霊長類に比べて繁殖周期が短く、繁殖コストが低く、倫理的な問題も少ない。

オルガノイドを培養する目的は何ですか?

腎臓に加えて、他のオルガノイド研究には肝臓、心臓、肺、腸が含まれます。オルガノイドの研究はまだ初期段階にあり、技術も未熟で、臓器移植に応用されるまでにはまだまだ長い道のりがあります。

心臓オルガノイド。画像出典：参考文献[2]

しかし、臓器の発達や疾患のメカニズム、疾患モデル化、薬物スクリーニングの研究におけるオルガノイドの応用は、初期の成果を達成しています。例えば、薬物スクリーニングの分野では、従来の薬物の研究開発は動物実験や臨床研究など複数の段階を経る必要があります。研究開発には長い時間と費用がかかるだけでなく、一部の薬剤は毒性が強く、人間や動物に死をもたらす可能性があります。

オルガノイドを使用して毒性と有効性を研究することは、動物実験よりも人体への実際の影響に近いだけでなく、研究開発サイクルを短縮し、研究開発コストを節約することもできます。例えば、現在第 II 相臨床試験中の二重特異性抗体薬 MCLA-158 は、オルガノイドを通じてスクリーニングされ、優れた臨床結果を示しています。オルガノイドモデルは、大腸がんや肺線維症の治療薬のスクリーニングにおいても初期の成功を示している。

オルガノイドの応用。画像出典：参考文献[3]

オルガノイドには幅広い応用の可能性がありますが、課題と限界についても認識しておく必要があります。例えば、臓器の発達に関する現在の理解はまだ不完全であり、オルガノイドは実際の臓器の生理機能をシミュレートできず、オルガノイドの培養技術はまだ未熟です。

しかし、一般的に、オルガノイドは独自の利点と可能性を備えているため、医薬品開発、精密医療、再生医療などの分野で幅広い応用の見込みがあります。これらは将来の医学研究において重要な役割を果たし、人類の健康に貢献する可能性があります。

参考文献

[1] 細胞幹細胞。 2023 9 7;30(9):1235-1245.e6。土井：10.1016/j.stem.2023.08.003。

[2] Lee, J.、et al. FGF4 と細胞外マトリックスを介して機能的なマウス心臓オルガノイドを in vitro で生成します。 Nat Commun 11、4283（2020）。

[3] Corrò, C., Novellasdemunt, L. & Li, VSW オルガノイドの簡単な歴史。細胞生理学誌319、C151-C165（2020）。

[4] 黄克清劉桂亭;顧志鵬;呉俊。豆腐は骨再生の潜在的可能性のための優れた足場となる。中国化学文字（2020）

[5]黄克清顧志鵬;ウー・ジュン「骨再生の可能性を秘めた豆腐配合ハイドロゲル」ACS BIOMATERIALS SCIENCE &ENGINEERING(2020)

企画・制作

出典：上海科学技術館（ID：sstm01）

著者: 胡志国博士、中国科学院分子細胞科学卓越センター

編集者：白 麗