変性疾患の治療に朗報！ iPS細胞から作製した3Dヒト神経回路網で脳組織の研究

・ヒトの脳組織の新しい3Dモデルは、脳の機能的・構造的特徴を正確に模倣することができる。
・これにより、細胞の特性を測定し、脳内の個々の細胞の挙動や成長を可視化することができる。

何十億もの神経細胞が何兆ものシナプスでつながっている人間の脳は、自然界で最も複雑なもののひとつです。神経細胞の相互接続は、神経伝達物質（神経細胞と他の細胞間の信号を伝達、増幅、調節する）と呼ばれる化学伝達物質を神経インパルスに応答して放出します。

世界中の科学者が脳の機能と能力のマッピングに絶えず挑戦していますが、複数の技術（fMRIやEEGなど）を併用しても、単一細胞レベルの分解能は得られていません。たとえば、CRISPR法【ゲノム編集技術】を用いた最近の研究成果には、賞賛と批判の両方が寄せられています。

このたび、米国タフツ大学の研究者たちが、人間の脳組織の実用的な3Dモデルを開発しました。このモデルは、脳の機能的特徴だけでなく構造的特徴も模倣することができ、より長い期間（数カ月単位）にわたって持続する神経活動を示すことができます。

このモデルにより、研究者は細胞間の相互作用を探り、パーキンソン病やアルツハイマー病などの病気や治療に対する反応を分析することができるようになります。

iPS細胞の利用

今回開発した3D脳組織モデルは、主に患者の皮膚から採取したヒトiPS細胞（Induced pluripotent stem cellの略【人工多能性幹細胞】）を用いています。従来は、健康な被験者から神経組織を採取することはほとんどなく、ヒト神経細胞源の入手は限られていました。しかし、現在ではそのようなことはありません。

近年、体細胞をiPSCに再プログラムする技術が進歩し、ヒト神経細胞源の問題が軽減されました。これらの多能性細胞は現在、大幅に拡大することができ、適切な条件下で、拡大する神経回路網を支える神経細胞やアストロサイト【哺乳類の脳の中で最も数が多いグリア細胞】など、特定の種類の細胞に分化させることができるようになっています。

研究者らは、絹コラーゲン足場が、本来の神経組織に見られるような電気シグナル伝達や遺伝的特徴を持つ細胞を作り出すのに最適な環境を提供することを発見しました。

他のモデルに対する優位性

3Dマトリックスは、2Dのクラスタリング細胞よりも、より包括的な細胞の組み合わせを出力します。これにより、神経伝達物質や受容体の発現や形態がより正確に再現されます。

他の手法でもiPS細胞を用いて脳組織の3Dミニチュア版を作成し、脳の機能や成長を理解することはできますが、各細胞のプロセスをリアルタイムで効果的にマッピングすることはできません。

神経細胞（緑）コラーゲン、アストロサイト（赤）を含む3D脳組織

このような小型のものでは、中心部の細胞に十分な栄養や酸素を供給することが非常に困難で、本来の活動には限界があります。それでも、新しい3D脳組織モデルの透過性構造により、十分な栄養と酸素を供給することができます。各3Dマトリックスの中心部には透明な窓があり、科学者は細胞の特性を測定したり、個々の細胞の挙動や成長を可視化したりすることができます。

健康な人から採取した細胞でも、パーキンソン病やアルツハイマー病の患者から採取した細胞でも、3D組織モデルは、いずれの場合も一貫して持続的な増殖を示しました。これにより研究者は、いくつかの病状を分析し、細胞が長期間にわたってどのように変化するかを観察するための信頼性の高いシステムを手に入れたのです。

研究者らは、可塑性、学習、変性に関わる複雑な相互作用をマッピングできる、より包括的な脳モデルを構築することを計画しています。そのためには、3D組織モデルと最新のイメージング技術を駆使し、内皮細胞やミクログリア細胞のような異なる種類の細胞を追加していくとのことです。