目次
- 重要なポイント
- はじめに
- 多能性幹細胞の供給源
- 胚性幹細胞（ESCs）
- 極小胚性様幹細胞（VSELs）
- 核移植幹細胞（NTSCs）
- リプログラミング幹細胞（RSCs）
- 成体幹細胞
- 臨床応用と今後の方向性
- 倫理的考察
- よくある質問
- 出典情報
重要なポイント
- 幹細胞は自己複製し、三胚葉由来の特殊化した細胞型に分化することができます。
- 主要な幹細胞の種類は5つあります：胚性幹細胞、VSELs、核移植幹細胞、リプログラミング幹細胞、成体幹細胞です。
- 人工多能性幹細胞（iPSCs）は、尿検体のような成体細胞から作製することができます。
- 核移植幹細胞は、霊長類のクローン作製に用いられ、疾患研究に役立っています。
- 幹細胞を用いた網膜および脊髄移植の臨床試験が進行中です。
はじめに
幹細胞研究は過去20年間で革命的な変化を遂げ、特にこの10年間で急速に進歩しました。この分野は、1961年にカナダの研究者James A. Till博士とErnest A. McCulloch博士が、マウス骨髄においてさまざまな細胞種に分化できる幹細胞を初めて発見し、多能性幹細胞（PSCs）——体内のあらゆる細胞種になり得る細胞——の概念を確立したことから始まりました。
この分野はいくつかの重要な節目を達成しました。1996年には体細胞核移植（SCNT）を用いて羊のドリーがクローン化され、1998年には初のヒト胚性幹細胞（hESCs）が単離され、2006年にはわずか4つの転写因子で成体細胞をリプログラミングすることにより人工多能性幹細胞（iPSCs）が作製されました。これらの発見の重要性は、成熟細胞が多能性状態へリプログラミングされ得ることを示した業績により、Shinya Yamanaka氏とJohn Gurdon氏が2012年のノーベル賞を受賞したことで認められました。
研究者らは系統的レビューを通じて、幹細胞を5つの主要カテゴリーに分類しました。胚性幹細胞（ESCs）、極小胚性様幹細胞（VSELs）、核移植幹細胞（NTSCs）、リプログラミング幹細胞（RSCs）、および成体幹細胞です。各タイプは臨床応用において独自の利点と課題を提供します。完全な生物（2018年、中国のサル）を作出するために用いられたのはNTSCsのみであり、一方、他のタイプは組織や臓器の作出に用いられてきました。
幹細胞、特にESCsとiPSCsは、再生・移植医療、疾患モデリング、創薬スクリーニング、ヒト発生生物学という4つの主要領域で大きな可能性を示しています。この分野は初期の発見から臨床応用の拡大へと進化し続けていますが、課題は残っています——特に、iPSCリプログラミング技術がまだ比較的新しいため、細胞増殖と分化の制御に関する課題です。
多能性幹細胞の供給源
多能性幹細胞（PSCs）は、2つの必須の特性によって特徴づけられます。自己複製（増殖する能力）と分化能（外胚葉、内胚葉、または中胚葉という3つの主要な胚葉のいずれかに由来する特殊な細胞種に分化する能力）です。研究者らは、マウスモデルにおいて多能性を調べるために3つの主要なアッセイを使用します。
テラトーマ形成アッセイは、免疫不全マウスに細胞を移植した後、3つすべての胚葉に由来する分化組織が自発的に生成されるかを評価します。キメラ形成アッセイは、幹細胞を初期胚（2N胚盤胞）に注入し、ドナー細胞が生殖系列伝達能を有するか、機能的な配偶子を生成するか、染色体の完全性を保持しているかを確認することにより、幹細胞が発生に寄与するかを調べます。四倍体（4N）補完アッセイは、細胞を4N胚に注入し、胚自体ではなく移植された幹細胞に由来する胚体外系統について発生段階をモニタリングすることにより、生物全体における多能性細胞の能力を判定します。
胚性幹細胞（ESCs）
ヒト胚性幹細胞（hESCs）は、初期段階の胚盤胞（受精後4～5日）から、供給源の胚盤胞を破壊するか、またはより後期の組織（在胎3か月まで）を採取することによって得られます。これらは研究応用に用いられた最初の幹細胞であり、今日でも臨床試験で一般的に使用されています（clinicaltrials.govで追跡されているとおりです）。
hESCsは多能性のゴールドスタンダードですが、胚の破壊に関する倫理的懸念と、患者に移植した際の潜在的な免疫拒絶の問題を伴います。これらの課題にもかかわらず、hESCsは発生生物学に関する貴重な知見を提供し続けており、より新しい幹細胞技術にとって重要な比較対象としての役割を果たしています。
極小胚性様幹細胞（VSELs）
極小胚性様幹細胞（VSELs）と呼ばれる新しいタイプの多能性幹細胞は、2006年に同定されて以来、有望性を示しています。20を超える独立した研究室がその存在を確認していますが、一部のグループはその妥当性に疑問を呈しています。これらの細胞は、多能性マーカーを発現する、成体組織中に見られる小型の初期発生幹細胞です。
VSELsは、マウスでは約3～5マイクロメートル、ヒトでは5～7マイクロメートルです（赤血球よりやや小さい）。これらはSSEA、核内Oct-4A、Nanog、Rex1を含むESCマーカーを発現し、さらにStellaやFragilisなど、遊走する始原生殖細胞のマーカーも発現します。それらの発生起源は、胚発生中に発育中の器官に存在する生殖系列の沈着と関連している可能性があります。
2019年に提唱されたモデルによると、VSELsは始原生殖細胞に由来し、3つの潜在的な運命へ分化します。間葉系幹細胞（MSCs）、血管芽細胞（造血幹細胞および内皮前駆細胞を含む）、および組織にコミットした幹細胞です。多能性幹細胞として、VSELsは成体動物またはヒトにおいて胚葉を越えて分化できるという利点を有する可能性があり、成体における単能性の組織にコミットした幹細胞の代替として機能する可能性があります。
VSELsは、他の幹細胞タイプに伴ういくつかの問題を克服する可能性があります。すなわち、ESCsの倫理的な論争と、iPSCsのテラトーマ（腫瘍）形成リスクです。このことにより、これらの懸念が大きな障壁となる将来の幹細胞研究および臨床応用において、VSELsは特に有望です。
核移植幹細胞（NTSCs）
1996年に最初に発見された体細胞核移植（SCNT）技術は、核移植幹細胞（NTSCs）を作出するために徐々に発展してきました。このプロセスは、完全に分化した体細胞（線維芽細胞など）からのドナー核を、除核卵母細胞（核を除去した卵細胞）に移植することから始まります。
その後、新しい宿主卵細胞がドナー核の遺伝的リプログラミングを引き起こします。培養下でこの単一細胞が多数の有糸分裂を行い、胚盤胞（初期胚で約100個の細胞）を形成し、最終的には元の生物とほとんど同一のDNAを持つ生物——核ドナーのクローン——を作出します。このプロセスは、治療用クローニングと生殖用クローニングの両方を生み出すことができます。
羊のドリー（1996年）は、哺乳類の最初の成功した生殖性クローンでした。それ以来、約24種の他の動物がクローン化されています。2018年1月、上海の中国人科学者たちは、胎児線維芽細胞を用いてSCNTにより2匹の雌のマカクザルをクローン化することに成功したと発表しました。これは、この方法でクローン化された最初の霊長類です。
クローン霊長類の作出は、ヒトの疾患研究に革命をもたらす可能性があります。遺伝的に均一な非ヒト霊長類は、霊長類生物学および生物医学研究にとって貴重な動物モデルとなり、疾患メカニズムや薬剤標的の調査を支援し、遺伝的変異という交絡因子と必要な実験動物の数を減らすことができます。この技術はCRISPR-Cas9ゲノム編集と組み合わせて、パーキンソン病やさまざまながんなどのヒト疾患の遺伝子改変霊長類モデルを作製できる可能性があります。
製薬企業は、薬物検査用のクローンサルに高い需要を示しています。この見通しに熱意を示し、上海は国際霊長類研究センターを設立するための資金を優先し、国際的に使用されるクローン研究動物を生産しようとしています。SCNTは幹細胞アプローチの中で独特であり、細胞シート、組織、臓器片だけでなく、生きた体全体を生成できるため、基礎研究と臨床応用の両方において、ESCおよびiPSCに対する生物生理学的機能上の利点があります。
リプログラミング幹細胞（RSCs）
Yamanakaと同僚らが初めて人工多能性幹細胞（iPSC）を作出した2006年以来、リプログラミング技術は大きく進歩しました。これは特に、系統限定的な転写因子、RNAシグナル修飾、低分子または化学物質を用いて特定の組織系列を産生するための、実験環境下（in vitro）および生体内（in vivo）の直接リプログラミング法に当てはまります。
これらの直接法はiPSCの段階を省略し、神経細胞やそれに続く運動ニューロンなどの標的細胞系列に近い、人工神経前駆細胞（iNPC）のようなより精密な細胞を産生します。リプログラミング幹細胞（RSC）は、SCNT技術を除き、初代細胞の遺伝的シグナルをリプログラミングするためにあらゆる実験室法を適用することによって誘導されます。
hESCに関連する倫理的および免疫原性の課題を克服するため、成人体細胞組織に由来するiPSCが有望な代替手段として登場しました。血液、皮膚、尿を含むヒトiPSCの供給源は豊富です。hiPSCは個々の患者から採取できるため、同じ患者に移植し戻す際（自家移植）に免疫拒絶を回避できます。
研究者らは、尿中に存在する腎尿細管細胞からhiPSCを取得する方法を開発しました。わずか30 mlの尿検体を必要とするプロトコルは、簡便で、比較的迅速かつ費用対効果が高く、普遍的です（すべての年齢、性別、人種・民族背景の患者に適用可能）。全工程はわずか2週間の細胞培養と3～4週間のリプログラミングで、高いiPSC収量と優れた分化能が得られます。
Sendaiウイルス送達システムを用いて200 mLの清潔な中間尿検体から採取した尿由来iPSCは、正常核型（染色体構造）を示し、テラトーマ形成アッセイで三胚葉すべてに分化する可能性を示しました。尿から単離された細胞の亜集団は、膀胱細胞系列（尿路上皮、平滑筋、内皮、間質）を区別できるc-Kit、SSEA4、CD105、CD73、CD91、CD133、CD44マーカーの細胞表面発現を含む前駆細胞の特徴を示し、有望な代替細胞源となっています。
成体幹細胞
成体幹細胞は、体内のさまざまな組織に見られる幹細胞のもう一つの重要なカテゴリーです。多能性幹細胞とは異なり、これらは通常、多分化能を有し、由来組織に特有の限られた範囲の細胞型に分化することができます。
一般的な供給源には、骨髄、脂肪（脂肪）組織、歯髄、およびさまざまな臓器が含まれます。間葉系幹細胞（MSC）は最も研究されている成体幹細胞の一つであり、炎症性疾患の治療、組織修復の促進、免疫応答の調節において有望性を示しています。
成体幹細胞は、多能性幹細胞ほど汎用性は高くありませんが、倫理的懸念が少ない、腫瘍形成リスクが低い、骨髄移植のような手技で確立された臨床使用があるなどの利点を提供します。研究は、その完全な可能性と作用機序を探求し続けています。
臨床応用と今後の方向性
幹細胞研究は、基礎研究、前臨床研究、そして現在では複数の応用領域における臨床試験へと進歩してきました。リプログラミング因子の組み合わせ、実験手法、シグナル伝達経路の解明における進歩が、網膜細胞移植および脊髄移植の最初の臨床試験に貢献しました。
この分野は、細胞増殖と分化制御に関連する課題への対応を続けています。研究者らは、以下を含む方法論的課題を体系的に検討しています：ゲノム改変による多能性の誘導；リプログラミング因子を備えた新規ベクターの構築；低分子および遺伝的シグナル伝達経路によるiPSC多能性の促進；マイクロRNAによるリプログラミングの増強；化学物質によるiPSC多能性の誘導と増強；特定の分化細胞型の作出；およびiPSCの多能性とゲノム安定性の維持。
これらの課題は、臨床応用への準備において、iPSCの作出と分化の有効性を最大化するために極めて重要です。細胞培養の進歩には、フィーダーフリー培養、異種フリー培地（動物由来成分を避ける）、およびさまざまな生体材料で強化された技術が含まれます。三次元（3D）細胞技術およびバイオプリンティング技術は、PSCリソースや生体内での第二世代直接細胞リプログラミングとともに、特に有望な方向性を表しています。
長期的な幹細胞研究および臨床目標は、神経変性疾患、脊髄損傷、心疾患、糖尿病、および細胞補充または組織再生が治療上の利益をもたらす可能性があるその他多くの状態を含む病態に対して、安全で有効な治療法を開発することに焦点を当てています。
倫理的考慮事項
幹細胞研究は、特に胚性幹細胞およびクローン技術に関する重要な倫理的考慮事項に対処し続けています。hESC研究のためのヒト胚の破壊は、多くの社会で依然として議論の的となっており、国によって異なる規制がされています。
人工多能性幹細胞（iPSCs）のような新興技術は、胚を破壊することなく代替の多能性細胞源を提供することで、一部の倫理的懸念への対処に役立ちます。しかし、遺伝子操作、細胞提供への同意、得られた治療法への公平なアクセスに関して、新たな倫理的疑問が生じています。
国際的な研究コミュニティは、幹細胞研究における倫理的な進歩を確保しつつ、さまざまな疾患や病態に苦しむ患者への潜在的な利益を最大化するためのガイドラインと規制の策定を続けています。
よくあるご質問
幹細胞にはどのような種類がありますか？
この記事では、幹細胞の5つの主要なカテゴリーについて説明しています。胚性幹細胞（ESCs）、極小胚性様幹細胞（VSELs）、核移植幹細胞（NTSCs）、リプログラミング幹細胞（RSCs）、および成体幹細胞です。それぞれの種類には独自の供給源と臨床的可能性があります。例えば、ESCsは胚盤胞から採取され、iPSCsは成体細胞からリプログラミングされます。
幹細胞は疾患の治療に使用できますか？
はい、幹細胞は再生医療、疾患モデリング、創薬において有望性を示しています。網膜や脊髄の損傷などの病態に対して臨床試験が進行中です。ただし、細胞の増殖と分化を制御することには依然として課題が残っています。成体幹細胞はすでに骨髄移植で使用されており、iPSCsは個別化治療を可能にする可能性があります。
幹細胞研究にはどのような倫理的懸念がありますか？
倫理的懸念は主に、胚性幹細胞研究のためのヒト胚の破壊に関係しています。しかし、人工多能性幹細胞（iPSCs）は胚の破壊を避ける代替手段を提供します。核移植クローニングもまた倫理的な疑問を提起します。規制は国によって異なり、進行中の研究がこれらの問題への対処を目指しています。
人工多能性幹細胞（iPSCs）は患者からどのようにして得られますか？
人工多能性幹細胞（iPSCs）は、患者の血液、皮膚、または尿から得ることができます。例えば、単純な30mlの尿検体から得られる尿細管細胞を2週間培養し、その後3〜4週間かけてリプログラミングしてiPSCsにします。この方法は費用対効果が高く、あらゆる年齢や背景の患者に適用できます。
治療に患者自身の幹細胞を使用する利点は何ですか？
患者自身の幹細胞、例えば血液、皮膚、尿から誘導された人工多能性幹細胞（iPSCs）を使用すると、細胞が患者と遺伝的に同一であるため、免疫拒絶を回避できます。この自家移植アプローチにより、免疫抑制薬の必要性がなくなり、移植拒絶のリスクが軽減されます。
人工多能性幹細胞には腫瘍形成のリスクがありますか？
人工多能性幹細胞（iPSCs）にはテラトーマ形成のリスクがあり、これは腫瘍の一種です。これはこの分野で知られた課題です。研究者たちは、iPSCsを臨床応用で安全に使用できるようになる前に、このリスクを最小限に抑えるために細胞の増殖と分化を制御する取り組みを進めています。
幹細胞があらゆる細胞種になれることを確認するために、どのように検査されますか？
幹細胞の多能性は、マウスを用いた3つの主要なアッセイで検査されます。テラトーマ形成アッセイは、細胞が3つの胚葉すべてに由来する組織を生成できるかを確認します。キメラ形成アッセイは、細胞が発生に寄与し機能的配偶子を産生できるかを検査します。四倍体補完アッセイは、細胞が一個体全体を形成できるかを判定します。
脊髄損傷や網膜疾患のような病態に対する幹細胞治療の前に、セカンドオピニオンを受けるべきでしょうか？
幹細胞治療の前にセカンドオピニオンを受けることは価値があるかもしれません。なぜならこの分野は急速に進展しており、網膜損傷や脊髄損傷などの病態に対して臨床試験が進行中だからです。専門家によって、胚性幹細胞、人工多能性幹細胞、成体幹細胞を含む5種類の幹細胞に関する専門知識は異なる場合があります。セカンドオピニオンは、実験的治療の適切な候補者であるかどうかを確認し、iPSCsによるテラトーマ形成などのリスクを明確にし、代替選択肢を理解していることを確実にするのに役立ちます。Diagnostic Detectives Networkは独立した専門家によるセカンドオピニオンを提供しています。
出典情報
Original Article Title: Advances in Pluripotent Stem Cells: History, Mechanisms, Technologies, and Applications
Authors: Gele Liu, Brian T. David, Matthew Trawczynski, Richard G. Fessler
Publication: Stem Cell Reviews and Reports (2020) 16:3–32
DOI: https://doi.org/10.1007/s12015-019-09935-x
この患者向けの記事は、査読済みの研究に基づいており、元の出版物からすべての重要な知見とデータを保持しながら、複雑な科学情報をわかりやすくすることを目的としています。
