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幹細胞から育てたヒト脳オルガノイド(ミニ脳)を生きたマウスに移植したところ、マウスが見ているものに反応を示すことが初めて明らかになった。科学者たちは、特殊なグラフェン電極のおかげで、この反応をリアルタイムで観察することができたとのことだ。

近年、科学者たちは、成人の皮膚細胞を未熟な状態に戻し、体内のほぼすべての種類の細胞を形成させる方法を発見している。この人工多能性幹細胞(IPS細胞)を使って、実験室内でオルガノイドと呼ばれる小さいが機能する臓器を作ることができる。

オルガノイドは、より自然な形で本物を3次元的に表現しているため、発生、疾病、薬物反応のモデル化に利用でき、皿の中で細胞を平らに培養するよりもはるかに正確である。これまでにも、脳、心臓、肺、肝臓、腎臓、胃、目、膵臓、さらには血管や毛包のミニチュアを作ることに成功している。

昨年10月、スタンフォード大学の研究チームは、ヒトの脳オルガノイドを初めてラットに移植し、ヒトの細胞がラットの神経細胞と結合することを発見した。今回の研究では、カリフォルニア大学サンディエゴ校の研究者が、この研究を基に、マウスに移植したヒトの脳オルガノイドが刺激に反応することを示した。

HumanOrganoidTransplant
オルガノイドの上部にある電極チャネルで、刺激に対する反応を示す電気的な活動が観測された。(Credit: David Baillot/UC San Diego)

これまでは、脳の活動は数ミリ秒単位で起こるため、既存の技術ではとらえにくく、このような現象を見ることは困難だった。そこでカリフォルニア大学サンディエゴ校の研究チームは、2つの実験手法を組み合わせて脳細胞を画像化した。

まず、移植したオルガノイドの上に、透明なグラフェン電極のアレイを配置した。この電極により、ヒトの脳細胞と周囲のマウスの脳組織の両方で起きている電気的な神経活動を記録することができた。次に、二光子顕微鏡で脳を撮影したところ、マウスの血管がオルガノイドの中に伸びて、酸素と栄養を供給していることが確認された。

移植から3週間後、マウスの目の前で白色光を照射し、さまざまな脳細胞の反応を観察する実験を行った。すると、グラフェン電極は、視覚野から伝搬する電気的スパイクの兆候をはっきりと示したのである。これは、ヒトのオルガノイドが、周囲のマウスの脳組織とシナプス結合を起こしたことを示している。11週間にわたる追跡実験により、研究チームは、移植片がホストとますます機能的に一体化していることを確認した。

本研究の筆頭著者であるMadison Wilson氏は、「光学的記録と電気的記録を同時に行うことができた研究は、他にありません。我々の実験は、視覚刺激がオルガノイドに電気生理学的な反応を引き起こし、周囲の皮質からの反応と一致することを明らかにしました。」と述べている。

将来的には、研究チームは、この技術を使って、神経疾患の進行をモデル化することを計画しており、最終的には、新しい治療法の可能性を解き明かすのに役立つかもしれない。


論文

参考文献

研究の要旨

ヒト脳オルガノイドは、神経細胞の3次元培養物であり、脳の発達や機能障害を研究するための強力なツールとして注目されている。しかし、オルガノイドが生体内で感覚ネットワークに機能的に接続できるかどうかは、まだ実証されていない。ここでは、透明な微小電極アレイと2光子イメージングを組み合わせて、成体マウスの後頭葉皮質に移植したヒト皮質オルガノイドの経時的、マルチモーダルモニタリングを行った。2光子イメージングにより、移植されたオルガノイドの血管新生が確認できる。視覚刺激により、オルガノイドは周囲の大脳皮質と同じ電気生理学的反応を引き起こす。マルチユニット活動(MUA)とガンマパワーの増加、および刺激によって誘発されたMUAと遅い振動の位相ロックは、オルガノイドとホスト脳との機能的統合を示す。免疫染色により、ヒト-マウス間のシナプスの存在が確認された。透明電極を用いたオルガノイドの移植は、マウス脳内でのヒト神経細胞ネットワークの発達、成熟、機能統合を包括的に評価するための汎用的なin vivoプラットフォームとして役立つ。

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