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iPS細胞






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iPS細胞   
induced Pluripotent Stem cell 人工多能性幹細胞
2012年、山中伸弥教授がノーベル賞受賞
  • 受賞理由は「成熟した細胞を、多能性を持つ状態に初期化できることの発見」。
  • 初期化とは細胞の過去をいったん消失し、さまざまな細胞に育つ受精卵のような状態に戻すこと。
  • 細胞の時間を巻きもどす。
(特徴)
  1. 皮膚細胞や免疫細胞などのように特定の役割を持つまでに育った細胞は通常、細胞分裂の回数が限られる。ところが、これらに3〜4個の遺伝子を加えるなどしてiPS細胞を作るとまるで若返ったかのように、無限に増殖する力を持つ。
  2. 京都大学のグループは、マウスの皮膚細胞に遺伝子を組み込むことで、あらゆる生体組織に成長できるES細胞に似た新しいタイプの万能細胞を作り、実際に[神経]や[心臓の筋肉][肝臓細胞]などに育てることに成功した。
    ES細胞は受精卵を破壊して作る必要があったため、倫理的な問題があったが、新しいタイプでは、もともと患者本人の遺伝子を持つ皮膚細胞を利用するので、倫理面だけでなく拒絶反応の心配も回避できる。
    成果は米科学誌セル(電子板)に2006年8/10掲載。
    京大の山中伸弥教授、高橋和利特任助手らが科学技術振興機構のプロジャクトで開発した。
    新手法では、マウスの皮膚細胞に、ウイルスを使って『Oct3/4』などの4種類
    • 「Oct3/4」
    • 「cMyc」
    • 「SOX2」
    • 「K1f4」
    の遺伝子を組み込むと、2週間後に万能細胞に変化した。ES細胞とは似ているが別種のため『誘導多能性幹細胞』(iPS細胞)と名付けた。
    胚性幹細胞(ES細胞)に代わる再生医療の切り札として、日本人研究者が世界に先駆けて作製した新万能細胞。
    • 発生学の常識が覆った。
    • よく分からないが細胞の時計がいとも簡単に巻き戻された。
    受精卵を使わないので倫理問題が起こらない。
    新万能細胞は『誘導多能性幹細胞(iPS細胞)』。
    ES細胞で特徴的に働く遺伝子4つ を皮膚細胞にしみこませて作る。受精卵のような生殖細胞でなく、体細胞由来のため、倫理上、研究・臨床応用しやすい。
    京都大学の山中伸弥教授らがはじめてマウスで作製に成功したと2007年6月英科学誌ネイチャーに発表。
    第二世代のiPS細胞で、遺伝子導入後、よりES細胞に似たものだけを選別した。その結果、分化能力はES細胞と同程度になった。
    米ハーバード大学とマサチューセッツ工科大学の2研究チームも同様の手法で成果を公表した。
    作製に必要な4つの遺伝子のうちの1つが、『c-Myc』でガン遺伝子でもある。さらに遺伝子を細胞に導入するときに使うウイルスも癌発症に関係している。iPS細胞を使って生まれたマウスの約2割でガンが見つかっている。
(元の細胞の性質が残る)
  • 2010年、人工多能性幹細胞(iPS細胞)は、血液細胞から作った場合は血液に変えやすいなど、材料尾体細胞の性質が残る場合があることをマウス実験で確認したと、ハーバード大学などのチームが7/20ネイチャー電子版に発表。
    iPS細胞は、血液や、皮膚、神経、内臓など多様な体細胞が材料となる。山中伸弥教授らが開発した3、4種類の遺伝子をウイルスなどを使って導入すると、細胞が特定の役割を果たすように遺伝子郡を制御していた「メチル化」という作用が解除され、受精卵に近い状態に初期化されると考えられてきた。
    研究チームは、マウスの血液や皮膚の細胞からiPS細胞をつくり、血液や骨に変える実験を通じ、血液から作ったiPS細胞のほうが血液に変えやすいことを確認。さらに、皮膚尾細胞核を、あらかじめ核を抜いた卵子に移植してつくったクローン胚と比較すると、iPS細胞はメチル化の解除が徐々に進むため、材料の性質が残りやすいことが分かった。










iPS
細胞
ES
細胞
クローン
ES細胞
もと
になる
細胞
皮膚などの
体細胞
受精卵 体細胞と卵子
マウス
実験
ヒト
での
実験

2007/11成功
×
拒絶
反応の
有無
なし あり なし
今後
の課題
発ガン性など
安全性の確認
受精卵を破壊、
倫理問題
クローン人間
につながる





iPS細胞とES細胞の違いを決める
  • 2015年、理化学研究所のピエロ・カルニンテ・チームリーダーらは、万能細胞のiPS細胞と胚性幹細胞(ES細胞)の違いを決める分子を見つけた。
  • ノンコーディングRNA(ncRNA)分子の量が違っていた。
  • 成果は3/12のセル(電子版)に掲載
  • 皮膚などの体細胞を変化させるiPS細胞と受精卵から作るES細胞は共通点が多い。
  • 研究チームは、マウスのES細胞とiPS細胞にあるRNAを網羅的に解析した。ES細胞の核の内部で働いていたncRNAの多くが、iPS細胞ではほとんど無いことが分かった。

初期化不完全
  • 2011年、体細胞を「初期化」して作った人間の人工多能性幹細胞(iPS細胞)には初期化が不完全な部分があるなど、iPS細胞の詳しい性質を解明したと、米ソーク研究所などがネイチャー(電子版)に2/3発表した。
    遺伝情報が書き込まれたDNAで起きている「メチル化」という現象の状況を分析した。薬の開発や再生医療にiPS細胞を利用するには、こうした特徴がどう影響するかを考慮する必要がありそうだ。

2種類・・・京都大学の山中伸弥教授が作った方法
  • 米ウィスコンシン大学のジェームス・トムソン教授らが開発した手法。ウイルスも外来遺伝子もiPS細胞ができた後に細胞に残らない。
    山中教授は、2012年、10/8、ノーベル生理学・医学賞を受賞した。

マウス実験
  • 代表的な万能細胞である胚性幹細胞(ES細胞)で見つかった4種類の遺伝子を皮膚細胞に導入して作った万能細胞がiPS細胞。2006年に京大の山中教授が作製に成功、誘導多能性幹細胞と名づけた。
    山中伸弥・京都大学教授と慶応大学の岡野栄之教授・中村雅也講師らは、マウスの皮膚細胞から『誘導多能性幹細胞』(iPS細胞)を開発。これを培養して脊髄を損傷した実験用マウスに注射した。
    約1ヶ月後に神経細胞などに成長したことを確認。運送機能も一部回復していた。

人の皮膚細胞から
  1. 京都大学の山中伸弥教授らは、神経や筋肉など体の様々な細胞や組織に育つ新型の万能細胞を、ヒトの皮膚の細胞から作ることにに世界で初めて成功した。すでにマウスの細胞でも同様の細胞を作っていたが、ヒトの細胞で成功したことによって、患者の本人の細胞から拒絶反応の起きない移植用組織を作れる可能性が出てきた。
    成果は2007年11/21の米科学誌セルに発表。
  2. 山中伸弥・京都大学教授らは、世界で初めて新型万能細胞「iPS細胞」を人の細胞から作ることに成功した。
    ただ、以下の2点で問題があった。
    ・ガン遺伝子を組み込む点と
    ・危険な恐れがあるウイルスを組み込む点
    今回、ガン遺伝子を組み込むことを解決した。
    2007年11/30、米科学誌ネイチャー・バイオテクノロジー(電子版)に掲載。
    前回のiPS細胞では、人の皮膚細胞に4つの遺伝子を組み込んで作製。そのうち1つは、「Myc」というガン遺伝子だった。今回、これを除いた3つの遺伝子だけで、成人の皮膚細胞から作ることができた。ただ、作製効率は落ちるという。
  3. 2007/12/11、山中教授らは、4つの遺伝子からガンを起こす可能性があった遺伝子を除いて作製する手法を改善した。
    3つの遺伝子で作製する手法は、4つの遺伝子の場合に比べて、作製効率が1/100に低下する。
    今回、これを改善するマイクロRNAという分子を見つけた。作製効率は4倍高まり、従来法の1/25にまでになった。
  4. 血中リンパ球から
    2010年、慶應義塾大学の福田恵一教授らは人の血液中に含まれ免疫機能を司るリンパ球に一種「T細胞」から新型万能細胞の作製に成功した。
    皮膚細胞から作る場合に比べて、患者に与える苦痛が少ない。
    ベクター(遺伝子の運び屋)に細胞の遺伝情報を傷つけないウイルスを使用したため移植後の安全性も高いという。
    バイオベンチャーのティナベックなどとの共同研究。
    成果はセル・ステムセルに掲載
    人から採取した血液に含まれるT細胞を、抗体などを使って活性化した上で「センダイウイルス」をベクターに4種類の遺伝子を導入した。iPS細胞でき、人体の様々な細胞へと成長させられることを確認、「TiPS細胞」と命名した。

親知らず細胞から「iPS細胞」
  • 2008年、産業総合研究所の大串始主幹研究員らのグループが、歯ぐきの中に埋もれている親知らずの細胞から「iPS細胞」を作り出すことに成功した。
    抜歯した親知らずを3年間凍結保存していたものに、山中伸弥・京大教授らが見つけた遺伝子のうち、ガン化を促す遺伝子を除いた3つの遺伝子を導入し成功した。


ウイルスを使わずに
  • 2009年、英エディンバラ大の梶圭介博士とカナダのトロント大などのチームが、、ウイルスを使わずにiPS細胞を皮膚から、従来手法より安全に作ることに成功し、3/1のネイチャー(電子版)で発表。
    ウイルス無しでヒトのiPS細胞ができたのは初めて


安全に
  • 2009年、米ウィスコンシン大学のチームは、3〜4種類の遺伝子を、プラスミドと呼ぶ特殊な遺伝子につなぎ、皮膚などの細胞に入れた。3〜4種類の遺伝子が働いてiPS細胞が完成、細胞が分裂を続けるとプラスミドが無くなり、最終的に3〜4種類の遺伝子を持たないiPS細胞ができた。
    成果は、3/27のサイエンス電子版に発表

遺伝子なしで
  • 2009年、ガン化の危険性がある遺伝子を直接細胞に入れないで作製する手法を米国とドイツの研究チームが開発した。成果は4/24のセル・ステムセル(電子版)に発表。
    研究チームは、京都大の山中伸也教授らが開発した作製手法で使う4つの遺伝子を大腸菌に組み込んでタンパク質を合成。このタンパク質をマウスの胎児細胞に導入したところ、約1ヶ月後にiPS細胞ができた


ガン化に関係?
  1. 2009年、慶應義塾大学と京都大学のグループは、新型万能細胞(iPS細胞)のガン化に関わっている物質を発見した。
    脊髄損傷のマウスにヒトiPS細胞から作った神経幹細胞を移植して、ガン化したものとしなかったものを比較したところ、複数種のタンパク質で働きに違いがあった。
    大半の神経幹細胞はニューロンと呼ぶ細胞に分化し、機能回復など効果があったが、7週間後には23匹中2匹で大きな腫瘍が見つかった。
    腫瘍の細胞を詳しく分析したところ、腫瘍の悪性度を判定するマーカーが5%の細胞で反応していた。
    中枢神経にできる悪性腫瘍には、グリア細胞と呼ばれる細胞からできるグリオーマがある。
    グリア細胞で見られるタンパク質の1種も見つかった。
    腫瘍の細胞からは[ネスチン]や[ビメンチン]と呼ばれ、細胞の形を支えるのに必要なタンパク質も見つかっている。
    グループはさらに、詳しい分析が必要と考えている。
  2. 2009年12月、日本分子生物学会で、山中伸弥教授はiPS細胞が動物の体内で作る腫瘍の種類と原因の一端を解明したと発表。
    iPS細胞は体内に移植した際にある一定の割合で2種類の腫瘍ができてしまうことが知られる。
    1つはガン細胞のような悪性腫瘍で、もう1つはガン細胞とは違うがiPS細胞から神経などを作った場合に神経などになりきらない未分化した細胞が作るテトラーマ(奇形種)と呼ぶ腫瘍だ。
    悪性腫瘍は、がん関連遺伝子「c-Myc」の有無に関係していたが、奇形種ではこの遺伝子の有無は関係していなかった


培地に動物細胞を含まない
  • 2010年、東京大学の浅島誠特任教授と長岡技術科学大学。医薬基板研究所などのグループは、新型万能細胞(iPS細胞)向けに動物の細胞を含まず安全性が高い培養材料(培地)を開発した。
    実際に成人の皮膚細胞からiPS細胞を育てた。
    病原体が混ざったり拒絶反応が起きたりする恐れが少なくなる。
    成果は11/24米学術誌プロスワンに掲載


胎盤からiPS細胞をつくる
  • 2011年、国立病院機構大阪医療センターの金村米博室長らは、人の様々な細胞に育つ新型万能細胞(iPS細胞)を胎盤の組織を使って作る技術を開発した。
    成果は日本再生医療学会で発表。
    iPS細胞や胚性幹細胞(ES細胞)の培養には、アミノ酸や糖などの栄養源のほか、細胞が成長するための足場(フィーダー)が必要。
    現在はマウスの胎児から取った線維芽細胞を使う方法が一般的だが、未知の病原体への感染のおそれや品質管理の難しさなどが課題になっていた。
    研究チームは胎盤組織の「脱落膜」に着目。この膜から分離した細胞が作る「細胞外マトリックス」を取りだし培養皿に敷くと、その上でiPS細胞やES細胞がよく増えた。
    脱落膜は胎児の羊膜と異なり母親の組織。
    細胞外マトリックスは、4℃の乾姜で8ヶ月以上保存できる。


ガン化しない製法
  1. 2011年、大阪大学の森正樹教授らは5/26、様々な細胞に育つiPS細胞の作製で、ガン化しない方法を開発したと発表。
    森教授らは、60種類の候補の中から選んだ3種類の微小な生体分子「マイクロRNA」を専用の薬剤とともにヒトの脂肪細胞に振りかけてか20〜30日間培養、iPS細胞を作った。そのまま培養を続けているが、ガンになる細胞はまだ見つかっていない。
    成果は米科学誌「セル・ステム・セル」(電子版)に掲載された
  2. 2011年、京都大学と産業技術総合研究所の共同研究チームは、iPS細胞を安全かつ効率よく作る新しい遺伝子を発見した。従来のガン関連遺伝子に代えたところ、作製効率は最大で10倍に高まった。iPS細胞になれなかった不完全な細胞のガン化を防げるという。


新遺伝子
  • 2011年、山中伸弥・京都大学教授らは、皮膚細胞に従来とは異なる遺伝子を入れてiPS細胞を作った。発がんリスクが大きく低下。
    iPS細胞は山中教授ら世界で初めて作製に成功。「山中因子」と呼ばれる3〜4個の遺伝子を入れて作る。しかしこの方法で作ったiPS細胞ではガンができる例が多く報告された。そこで、山中因子のうち、ガンとの関連が指摘される遺伝子のかわりに「Glis1」(グリス1)遺伝子を使った。産総研のデーターベースを基に、1437種類の遺伝子から探し当てた。
    この遺伝子を使うと、うまくiPS細胞になれない不完全な細胞に作用して増殖を防ぎ、死なせることを突き止めた。


iPS細胞作製・・・・免疫作用があった
  • 2012年、山中伸弥・京都大学教授らが最初にiPS細胞を開発した際に、マウスやヒトの皮膚細胞に4遺伝子を導入する「運び屋」として使ったレトロウイルスは細胞内の自然免疫システムを適度に活性化させ、導入した遺伝子を働きやすく効果があったことが分かった。
  • 米スタンフォード大学のチームが米科学誌セルに発表。
  • 自然免疫が活性化するのはウイルスを退治しようとするするため。
  • 細胞核にあるDNAは長いひも状だが、普段は使わない遺伝子が多いため、無数の小さな糸巻き状態で収納している。
  • ウイルス退治には多くの遺伝子を働かせる必要があり、糸巻き状態をゆるめるため、iPS細胞作製用に導入した4遺伝子が作用しやすくなると考えられる。
  • 研究チームは自然免疫で中心的な「TLR3」と呼ぶタンパク質に注目。
  • TLR3の働きを人為的に強め、iPS細胞の作製効率を引き上げた。






ナイーブ型のiPS細胞
従来型より高品質
  • 2012年、国際幹細胞学会で自治医科大学の花園豊教授らが発表した「ナイーブ型」のiPS細胞が高い評価を受けた。
  • 人やブタの細胞からナイーブ型のiPS細胞を作った。このタイプは受精卵に近い状態を維持しており、培養も簡単。

iPS細胞 ナイーブ型 従来のタイプ
形態 ドーム状 平たい
初期化状態 受精卵に近い 少し育った状態
増殖速度 速い
(約1日で2倍に)
遅い
分散培養 バラバラでも育つ
(50回繰り返しても安定)
バラバラでは
死にやすい
遺伝子導入 しやすい しにくい






脊髄治療・・・・マウスで成功
  • 2009年、慶応大学の岡野栄之教授らのチームがヒトのIPS細胞(新型万能細胞)を使って、脊髄損傷したマウスの治療に成功した。
    2/4のシンポジュウムで成果を発表。
    ヒトiPS細胞で治療効果を示した世界初の事例。
    ヒトのiPS細胞から神経細胞の元になる神経幹細胞を作りマウスに移植したところ、歩けるようになった。
    岡野教授らは、山中伸弥・京都大学教授らが作製した手法と同じ方法で得たヒトiPS細胞に、タンパク質などを加えて神経幹細胞を作製。後ろ脚が完全に麻痺したマウスの脊髄損傷部位に2008年末に移植した。その結果、約1ヶ月後には後ろ脚に体重をかけて歩いたり走ったりできるようになった。
    実験には、ヒトの細胞を移植しても免疫拒絶反応を起こさないマウスを使った。
    岡野教授は「今回移植した細胞数は50万個」。
    山中伸弥・京都大学教授が開発した4個の遺伝子を導入してつくったヒトiPS細胞と、ガン遺伝子「Myc」を除いた3遺伝子を使って作ったiPS細胞細胞、マウスの胚性幹細胞(ES細胞)などタイプの異なる万能細胞で比較実験した。
    いずれも治療効果が見られた。


腸管を作る
  • 2010年、奈良県立医科大学の中島洋介教授らは、マウスの新型万能細胞(iPS細胞)から腸管を作ることに成功。
    iPS細胞から臓器を作ったのは世界初。
    3/18の日本再生医療学会で報告


すい臓(膵臓)作製
  • ラットのiPS細胞使い
    2010年、東京大学の中内啓光教授らのグループはラットのiPS細胞からすい臓を作り出すことに成功した。
    膵臓の形成に必要な遺伝子(Pdx1)を持たないマウスの受精卵に組み込み、ラットの膵臓を持つマウスを誕生させた。
    iPS細胞から立体的な臓器を作ったのは世界初。
    科学技術振興機構・小林俊寛研究員らの共同研究で、9/3の米科学誌セルに掲載。
    まず、膵臓の作製に必要な遺伝子の働きを人工的に無くしたメスのマウスを準備。
    そのあまだと生まれてくる子供には膵臓が無く、すぐに死ぬ。そのため、メスのマウスを受精させ3〜4日後に受精卵を取りだし、その中にラットのiPS細胞を注入。別のメスのマウスの子宮に入れて出産させた。
    するとラットのiPS細胞から成長した膵臓を持つ子供が生まれた。糖を注射しても高血糖にはならず、正常な血糖値を保ち、膵臓が正しく機能していることが分かった。
    遺伝子操作したマウスの子供の体内では、膵臓ができるはずの場所にわずかなすき間が生じる。
    ラットのiPS細胞が何らかの仕組みで、すき間の発生に関係した異常を検知し、膵臓に成長したとみられる。
    マウスラットは「人間とチンパンジー以上に種として遠い関係にある」(中内教授)
    それでもうまく膵臓ができた。
    ブタなどヒトに近い大きさの臓器を作らせて治療するに使う方法は将来の医療技術として期待される。


マウス誕生
  • 2011年、京都大学の斎藤通紀教授や林克彦講師らは、マウスのiPS細胞から精子の元となる生殖細胞を作り、これをもとにマウスの子供を誕生させることに成功した。
    成果は米科学誌セル(電子版)に掲載。
    作製したのは精子の元となる「始原生殖細胞」で、精巣の中にあり精子に育つ能力がある。
    斎藤教授らはiPS細胞に細胞増殖にかかわる2種類のタンパク質などを加え、まず始原生殖細胞を得た。精子の出来ないマウスの精巣に移植すると精子が出来た。
    生殖能力の有無を調べるために、試験管内で卵子と受精してメスの子宮に入れたところ、約3割で子供が生まれた。


遺伝欠損でも正常iPS
  • 2012年、京都大の多田高准教授や帝京大の堀江重郎教授らは、遺伝子に欠陥のあるマウスの細胞から、正常な新型万能細胞(iPS細胞)を作ることに成功した。
    今回の成果は、遺伝子性疾患の患者から正常なiPS細胞を作り、再生医療に応用できる加工性を示す。


腎臓の細胞を作る
  • 2013年、京都大学やiPS細胞研究所の長船健二准教授らはヒトのiPS細胞から腎臓の細胞のもととなる「中間中胚葉」を効率よく作る方法を開発し、腎臓の細胞に育てた。






iPSに変化するのは?
あらゆる細胞?
  • 山中伸弥京都大学教授の発見をもとに“あらゆる細胞は新型万能細胞(iPS細胞)になる可能性を持つ”とする定説に、異論を唱える日本の論文を米科学誌が掲載した。
  • 出沢真理東北大学教授らが“皮膚や臓器にあるごく一部の細胞だけがiPS細胞になっているとみられる”と報告。
  • 人の皮膚の細胞を多能性を持つ「Muse(ミューズ)」と呼ぶ細胞とそれ以外に分けた。
  • 山中教授の方法ではMuse細胞からしかiPS細胞が作れなかった。
  • 過去の実験からは「どんな細胞でも基本的にiPS細胞になれる」(国立成育医療研究センターの梅沢明弘・再生医療センター長)と考える研究者が多い。

作成効率・・・2つのタンパク質が左右
  • 2013年、京都大学iPS細胞研究所の山本拓也助教らは、皮膚の細胞などからiPS細胞が出来る際に重要な働きをするタンパク質を発見した。
  • 遺伝子から様々なタンパク質が正しく作られるように働く「RNAスプライシング」という生体内の機構に着目。
  • 線維芽細胞からiPS細胞になる際のRNAスプライシングの動向を観察。9つのタンパク質が関わっていることを見つけた。
  • その後、1つ一つのタンパク質が働かないようにして調べたところ、iPS細胞になるには「U2af1」と「Srsf3」という2つのタンパク質が重要であることを突き止めた。

iPS細胞の作製を阻害するタンパク質・・・マウスの神経系細胞で実験
  • 2013年、京都大学iPS細胞研究所の升井伸治講師らは、通常の細胞からiPS細胞を作る際、進行を阻害するタンパク質が存在することを突き止めた。
  • iPS細胞の作製効率は0.1%ぐらいといわれている。
  • マウスの神経細胞で特異的に発現しているタンパク質158種類を特定。
  • 1つずつ強制的に働くようにしたころ、iPS細胞になりにくくなるものが6種類あった。
  • このタンパク質を肝臓の細胞に導入したところ、神経系細胞に非常によく似た細胞に成長した。






ガンが縮小した
  • 2015年、東京大学の中内啓光教授らは、iPS細胞から作った免疫細胞でガンを小さくするマウス実験に成功した。
  • 実験ではウイルスに感染してガン化したヒトの細胞をマウスの体内に移植し、このガン細胞を攻撃する免疫細胞をiPS細胞から作り出して体内に入れた。免疫細胞が盛んに働いて、ガンは1/20に縮小した。
  • 免疫細胞を入れないマウスでは、ガンは10倍大きくなった。





iPS細胞由来の幹細胞を販売
  • 2010年、バイオベンチャーのリプロセルはiPS細胞から作り出した神経幹細胞を販売し、神経系治療薬の創薬に役立つ。iPS細胞から作った神経幹細胞と、幹細胞から大脳などの神経細胞を作り出す培養液のセット。リプロセルはiPS細胞に神経系の病気の原因となる遺伝子を組み込み、病気を発症させた神経細胞を作り出す技術も持つ。この技術を応用すれば、アルツハイマー型認知症の大脳やパーキンソン病の中脳などを作りだせる。









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