カリフォルニア大学サンフランシスコ校（UCSF）の研究者らは、「細胞の接着剤」として機能する分子を人工的に合成し、細胞同士の結合を精密に制御する技術を開発した。これは、「新しい組織や臓器を作り出すという再生医療の長期的な目標に向けた重要な一歩である」、とプレスリリースでは述べられている。

細胞接着分子(CAMs)は、体内に自然に存在し、何十兆個もの細胞を組織化されたパターンにまとめ、神経ネットワークを構築し、構造物を発達させ、免疫細胞を体の特定の部位に誘導している。また、細胞接着分子は細胞のコミュニケーションを容易にし、体が全体として自己調整機能を維持することを可能にする。

バイヤーズ細胞分子薬理学特別教授でUCSF細胞デザイン研究所所長のWendell Lim博士は、「我々は、細胞がどの細胞と相互作用するかを制御し、その相互作用の性質も制御できるような方法で細胞を設計することができました。これは、組織や臓器のような新しい構造を構築するための扉を開くものです。」と語っている。

身体の器官や組織は子宮内で形成され、小児期を通じて発達し続ける。これらの生成過程を制御する分子指令の多くは、大人になるまでに消滅し、神経のように損傷や病気から回復できない組織もある。

Lim氏は、新しい成体細胞を工学的に作り出し、新しい結合を作ることでこれを克服することを目指している。しかし、そのためには、細胞同士がどのように相互作用するかを工学的に解明する能力が必要である。

細胞デザイン研究所のハーツフェローで、この論文の筆頭著者であるAdam Stevens博士は、「例えば皮膚のような組織の特性は、その中でさまざまな細胞がどのように組織化されているかによって大きく左右されます。私たちは、細胞の編成を制御する方法を考案しています。これは、私たちが望む特性を持つ組織を合成できるようにするための中心的な要素です。」と、説明する。

組織の細胞がどれだけしっかりと結合しているかは、組織の特徴に大きく影響される。肝臓や肺のような固い臓器では、多くの細胞は非常に強固に結合している。しかし、免疫系では、細胞の結合が弱いため、病原体や病巣に到達するために、血液の動脈を通ったり、皮膚や臓器組織の固く結合した細胞の間を這ったりすることができるのだ。

今回、UCSFの研究者たちは、合成細胞接着分子（synCAM）を開発した。彼らは、細胞の結合の質を制御するために、接着分子を2つの部分に分けて設計している。分子の1つの部分は、細胞の外側で受容体として機能し、どの細胞と接触するかを選択する。結合の強さは、細胞内にある2つ目の部品によって調整される。この2つの部品はモジュール方式で交換可能であり、さまざまな種類の細胞に対してさまざまな方法で結合する、特殊な細胞を作り出すことができる。

Stevens氏によれば、これらの発見は、さらなる応用にも効く可能性があるという。ヒトの組織で病気の状態を調べることをより簡単にするために、研究者は、たとえば、病気の状態をモデル化した組織を作ることができるかもしれない。

カスタム接着分子を使えば、単細胞生物から多細胞生物への移行がどのように行われたかを、より詳しく知ることができるかもしれない。細胞接着は、哺乳類や他の多細胞生物の進化における重要な一里塚であった。

「進化がどのように身体を作り始めたのかについて、より多くのことを理解できるようになったことは、非常に喜ばしいことです。私たちの研究は、どの細胞がどのように相互作用するかを決定する、柔軟な分子接着コードを明らかにしました。このコードを利用すれば、細胞がどのように組織や臓器に組み立てられていくかを制御することができるのです。これらのツールは、本当に変革をもたらすかもしれません。」と、Stevens氏は述べている。

研究の要旨

細胞接着分子は多細胞生物に普遍的に存在し、組織の発生、免疫細胞の移動、神経系の配線など様々なプロセスで正確な細胞間相互作用を規定している。ここでは、カドヘリンやインテグリンなどのネイティブ接着分子の細胞内ドメインに直交する細胞外相互作用を組み合わせることにより、幅広い種類の合成細胞接着分子（synCAM）を生成できることを示す。その結果、ネイティブな相互作用に類似した接着特性を持つ、カスタマイズされた細胞間相互作用の分子が得られる。synCAMの細胞内ドメインは界面の形態や力学を決定する上で重要であり、ホモタイプやヘテロタイプの細胞外相互作用ドメインは細胞間の結合性を決定する。このような直交する接着分子のツールキットは、新しい多細胞構造の構築や組織改変を合理的にプログラムすることが可能である。synCAMのモジュール性は、細胞間インターフェースの異なるクラスがどのように進化してきたかについての基本的な洞察を与えてくれる。これらのツールは、細胞・組織工学や多細胞構造の系統的な研究のための強力な新機能を提供するものである。