液体のりで幹細胞を長期間培養するまさかの方法【論文メモ】

今回は、皆さん馴染み深い「液体のり」の主成分であるポリビニルアルコール(PVA)を造血幹細胞(血液系の様々な細胞に変化することができる細胞)に用いると、これまでできないとされていた生体外での長期間の機能維持が可能になったという論文読んで学んだことをアウトプットします。

この研究によって、白血病などの治療技術が発展することが期待されるとのことです。

論文の情報
論文タイトル:Long-term ex vivo hematopoietic stem cell expansion allows nonconditioned transplantation
雑誌名:「Nature」(2019年5月30日オンライン版)
著者:Adam C. Wilkinson, Reiko Ishida, Misako Kikuchi, Kazuhiro Sudo, Maiko Morita, Ralph Valentine Crisostomo, Ryo Yamamoto, Kyle M. Loh, Yukio Nakamura, Motoo Watanabe, Hiromitsu Nakauchi, Satoshi Yamazaki

研究の背景

免疫不全や白血病という病気は皆さんどこかで耳にしたことがあるかと思います。
非常に重い病気でなかなか治らないというイメージが強いでしょうか。
これらの病気を治すために、造血幹細胞という血液系の細胞に変化(分化)できる細胞を移植する治療が行われています。
しかし、造血幹細胞を取り出すことができても、体の外で細胞を安定に長期間保存することができないとう課題がありました。
原因は、細胞を培養するために必要な成分である、血清やアルブミンというタンパク質がどうも悪さをしているということです。
この論文では、血清やアルブミンの代わりになるような成分を探した結果、「液体のり」の主成分にたどり着いたそうです。

研究内容

この研究のポイントは下記の3つだと思います。

造血幹細胞の維持に必要な
・因子の濃度の特定
・微小環境(細胞ニッチ)の特定
・因子の運搬体の特定

まず、実験を行なった結果、高い濃度のトロンボポエチン(trombopoietin: TPO)と低い濃度の幹細胞因子(stem-cell factor: SCF)という2つの因子が造血幹細胞の維持に重要だということを証明しています。

次に、造血幹細胞の維持に必要な細胞外環境である幹細胞ニッチ(nich)について着目しました。

幹細胞ニッチについて少し触れると、幹細胞は放置しておくとどんどん別の細胞に変化(分化)していきます。なので、幹細胞を幹細胞として維持するためには、何らかの制御が必要になります。
この制御の一つが幹細胞ニッチになります。
これは細胞を取り囲む他の細胞であったり、コラーゲンなどの細胞がくっつく(接着する)タンパク質であったりします。

様々なタンパク質を試したところ、フィブロネクチンという細胞の接着に関わるものが適しているということを証明しています。

最後に、お待ちかねの「液体のり」です。
これまで細胞の培養に必要不可欠であった、血清やアルブミンというタンパク質が実は安定的な維持を邪魔しているということが推測されました。
研究者たちはこれらのタンパク質が持っている「運搬体」としての役割について着目し、この代わりとなる材料を探したそうです。

運搬体の役割とは、タンパク質が他のタンパク質などを効率的に細胞に届けることだそうです。

たくさんの種類の化学合成物を調べた結果、「液体のり」の主成分であるポリビニルアルコール(polyvinyl alcohol: PVA)がアルブミンに最も近い性能を示すことがわかったそうです。

以上の3つの要素を特定して、造血幹細胞を培養したところ、1ヶ月以上も長期間に渡って体の外で機能を維持することができたそうです。
さらに、一つの造血幹細胞からでも、安定してたくさんの細胞に増殖させることができることがわかったそうです。
つまり、ドナーから一つだけ細胞が得られれば治療に使うのに十分な量まで増やすことも可能となるそうですね。

そして、PVAは液体のりとして市場に出回っており、非常に安価な材料なので、少ない細胞を安い材料でたくさん作れるということを考えると、造血幹細胞を使った移植治療のコストが大幅に下がることが期待されます。

身近にある材料に新たな効果を発見する非常にインパクトのある研究ですね。

雑談

補足情報として、今回使用したPVAの濃度としては0.1%とものすごく薄い濃度なので、液体のりのようにドロドロしたようなものではなく、もっと薄めてサラサラした状態で使用しているということは、少し気に留めておいた方が良いかもしれません。

また下記の記事によると、実際に研究者は市販の液体のりを買ってきて実験に使った結果、問題なく使用できたそうです。
みんなが気になるところを行動しているあたり研究者の鑑ですね。

  

また、ニュース記事に液体のりとしてアラビックヤマトの写真が使われたことから、一部の投資家が勘違いしてヤマトの株価が変動したとかいう噂があったりしているそうですよ。

少し踏み込んだ内容として、人工物を使うメリットは、Good Manufacturing Practice(GMP)という医薬品として満たさなければいけない品質の基準を天然物より満たしやすい。安定して同じものを作りやすい、安価に作れるということがあります。
これが、天然物の場合、精製過程で不純物を完全に除去することが困難なこと、作製されたロットによって効果が異なること(ロット間差が大きい)という問題があるそうです。
なので、タンパク質と似た機能をもつ人工物を見つけるということは、ものづくりにおいて非常に重要なことなのです。

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