オランダのHubrecht InstituteとPrincess Máxima Centerの研究者らは、世界で初めて、ヒトの胎児組織からヒトの脳オルガノイド、いわゆる “ミニ脳 “を培養することに成功した事を発表した。このオルガノイドは米粒ほどの大きさしかないが、脳の発達や病気を研究するまったく新しい方法を提供する可能性を秘めている。

近年、オルガノイド研究は爆発的に発展している。胃から腎臓、そして全身の “ボディ・オン・ア・チップ”に至るまで、臓器のミニチュア・レプリカを生成できることは、医学研究に革命をもたらす可能性を秘めている。

ヒト幹細胞からスタートした脳オルガノイドは、視覚刺激に反応することが示され、傷ついたラットの脳組織の修復に使われたり、コンピューター・ハードウェアと融合させ、ハイブリッド・バイオコンピューターを作るような研究も行われている。

しかし、このような驚くべき進歩にもかかわらず、ヒトの脳オルガノイドを培養するには限界があった。これまでは、胚性幹細胞か多能性幹細胞を使い、非常に特殊な分子のカクテルを用いて正しい発生経路に誘導するしかなかった。

今、科学者たちは胎児の脳組織から直接ミニ脳を作り出す方法を発見した。

Hubrecht InstituteとPrincess Máxima Centerの研究者であり、オルガノイド研究のパイオニアであるHans Clevers氏は、「私たちの研究は、オルガノイドと脳の研究分野に重要な貢献をしています。これまでは、ほとんどのヒト臓器からオルガノイドを樹立することができましたが、脳からはできませんでした」と、述べている。

胎児脳組織は通常、選択的中絶から得られるが、科学研究におけるその倫理的許容範囲は国によってかなり異なり、その使用を完全に禁止している国もあれば、オランダのように厳しい制限付きで使用を認めている国もある。

胎児組織の入手可能性が低いため、科学者たちはこれまで、幹細胞からヒトの「ミニ脳」を培養することしかしてこなかった。

オランダのPrincess Máxima Center for Pediatric Oncologyの研究チームは、他の臓器から作るオルガノイドに必要な個々の細胞ではなく、組織全体の小片を使うことが鍵であることを突き止めた。最終的に研究チームは、胎児の脳組織の小さな断片をディッシュの中で自己組織化させ、神経細胞や放射状グリアと呼ばれる支持細胞など、さまざまな種類の細胞を含む3次元の層状構造を作り出すことに成功した。

小さなオルガノイドであったが、複数の異なるタイプの細胞を含んでおり、脳の各部分に由来する特有の特徴を保持していた。例えば、胎児が成長する過程で脳の発達を指示する様々なシグナル伝達分子に反応していた。このことは、この非常に複雑なプロセスに関する新たな知見を得るために利用できる可能性があることを意味している。

さらに優れたことに、脳オルガノイドは生きている脳と同じ化学信号のいくつかに反応し続け、6ヵ月以上も生き続けた。それに比べ、幹細胞から作られた脳オルガノイドは80日以上生きるのがやっとである。そもそもオルガノイドを成長させるために使われる組織は無限の資源ではないので、可能な限り最大限に利用することが重要なのだ。

このオルガノイドはすぐに成長するため、研究チームは脳腫瘍のモデルとしての可能性を検証することにした。CRISPR-Cas9遺伝子編集を用いて、TP53と呼ばれるがん遺伝子を変異させた。3ヵ月後、変異した細胞は、がん細胞がそうであるように引き継がれた。

その後、同じ技術を使って、脳腫瘍の一種である膠芽腫に関連する3つの遺伝子を改変し、変異したオルガノイドに対するいくつかの抗がん剤の効果をテストした。これは、この脳オルガノイドが将来科学研究に利用される可能性のあるもうひとつの方法である。

研究チームは、この成功の少なくとも一因は、脳組織が作り出すタンパク質にあるのではないかと考えている。これらの重要なタンパク質は、脳細胞が三次元構造に自己組織化できるように、脳細胞の足場を作るのである。

研究に使用された胎児組織は、妊娠12週から15週の間に妊娠中絶を経験した人々から提供されたものである。提供者は完全に匿名とされ、臓器開発研究に組織を使用することに全面的に同意している。

研究チームは、今後も脳オルガノイドの可能性を追求し続けたいと考えている。彼らはまた、生命倫理学者とも協力しており、この分野の研究の将来を形作るために、この協力を継続することを目指している。

「胎児組織からの脳オルガノイドを成長させ続け、使用し続けることができるということは、このような貴重な材料から可能な限り多くのことを学ぶことができるということでもあります。私たちは、ヒトの脳に関する新たな発見のために、この新しい組織オルガノイドの利用法を探求することに興奮しています」と、共同研究責任者のDelilah Hendriks博士は語った。

論文

• Cell: Human fetal brain self-organizes into long-term expanding organoids

参考文献

• Hubrecht Institute: Novel tissue-derived brain organoids could revolutionize brain research
• Princess Máxima Center: New organoids could revolutionize brain research

研究の要旨

ヒトの脳の発達には、多細胞組織構造が確立される一方で、神経前駆細胞が組織化され、大量に拡大することが含まれる。継続的に拡大するオルガノイドは、複数の体性組織から直接増殖させることができるが、脳オルガノイドはこれまで多能性幹細胞からのみ樹立することができた。ここでは、健康なヒト胎児の脳が、in vitroでオルガノイド（FeBO）に自己組織化し、in vivoの細胞不均一性と複雑な組織化の側面を模倣することを示す。FeBOは長期間にわたって増殖させることができる。FeBOの成長には組織の完全性の維持が必要であり、これによって組織のような細胞外マトリックス（ECM）ニッチが形成され、最終的にFeBOの拡大が可能になる。前脳背側と腹側を含む中枢神経系（CNS）の異なる領域に由来するFeBO株は、その領域の同一性を保ち、位置的同一性の側面を探ることができる。また、CRISPR-Cas9を用いて、脳腫瘍の研究のために、同系遺伝子変異FeBO株を作製した。以上より、FeBOは補完的な中枢神経系オルガノイド・プラットフォームを構成する。