胚性幹細胞(ESC)を詳しく知る - 生物学的概念

胚性幹細胞(ESC)は、着床前段階の胚、通常は胚盤胞段階の胚の内部細胞塊から得られます。


ESCとその簡単な定義

初期の胚発生の間、細胞は比較的未分化なままで、体内のほぼすべての組織型に分化する能力を持っています(図1)。ESCには、自己複製性と多能性という2つの重要な特性があり(1)、どちらもin vitroでの応用に広く利用されています(2)。

Humankine製品は、特定の細胞型を取得するのに役立つかもしれません。

図1.胚性幹細胞(ESC)のような多能性幹細胞は、胚盤胞の内部細胞塊(ICM)から発生する。ICM細胞は、胚体外系統を除いて、体のあらゆる組織型に分化することができる。(3)から引用。

胚性幹細胞(ESC):簡単な歴史

最初のESCは、30年以上前にマウス胚盤胞の内部細胞塊(ICM)から単離されました(4)。これらの細胞は、多能性であり、胚盤胞ESCと呼ばれていました(5)。それ以来、着床前胚のICMをはじめ、1987年にはヒツジ(6)、1993年にはウサギ(7)、1994年にはウシ(8)、1995年にはブタ(9)、1998年にはヒト(10)、そして2008年にはラット(11)など、さまざまな哺乳類を含めた種々のソースからESCが単離されています。また、ヒト体細胞核移植(SCNT)胚(ヒト核移植ESC(NT-ESC)と呼ばれる)に加えて、ヒト胚の様々な段階(すなわち、胚盤胞、桑実胚期胚、胚盤胞停止胚、割球)からの単離も成功しています(512)。

胚性幹細胞(ESC)の特徴:

ESCは、非常に特殊な特徴を持っているため、疾患の根本的なメカニズムの研究、in vitroでの細胞や臓器の発生の模倣研究、医薬品開発のための化合物スクリーニング、そして最終的には細胞置換療法などのアプリ―ションに利用できるユニークなツールとなっています。ESCは、比較的容易に増殖可能な細胞であり、生物の任意の成熟した細胞型に分化する能力をもっています。

単離されてから数年の間に、ESCの特定の要件に対応し、その誘導と培養方法を改善するための様々な方法が行われています。実際、幹細胞が成長する培地が不定であったり、不適切であったりすると、自然分化や実験の再現性の低下を招くことになります。これまで、MEK/ERKおよびグリコーゲン合成酵素キナーゼ3(GSK3)シグナル伝達の阻害は、白血病誘発因子(LIF HZ-1292)によるStat3の活性化と組み合わせることで、創発性ESCの多能性の基底状態を促進するのに十分であると考えられていました(1314)。しかし、最近の適切な方法としては、ヘパリン結合性成長因子である塩基性線維芽成長因子(bFGF HZ-1285)を用いて細胞を培養する方法があり、ヒトESC(hESC)の自己複製を促進する効果がより高いことが証明されています(15)。 幹細胞の特性を維持するために必要な成分は他にもあります:

i. フィーダー細胞、調整培地、またはサイトカイン (例えば、TGF- HZ-1011, WNT3A HZ-1296)

ii. ヒト血清アルブミン (HSA HZ-3001) または血清代替品

iii. マトリックス(例えば、マトリゲルまたはフィブロネクチン)またはラミニン (16).

幹細胞培養における異種移植の影響(すなわち、毒性のあるタンパク質の形成、動物病原体のリスクの増加、発生研究における合併症)を軽減するために、動物を含まない製品を使用し、定義された培地で増殖させたhESC株が使用されており、これらはより良い結果を得ています(17)。

胚性幹細胞(ESC)のアプリケーション

ESCの潜在的なアプリケーションとしては、心血管疾患、脊髄損傷、緑内障などが挙げられます。Shroffらの最近の研究では、脊髄損傷患者の損傷部位に移植されたhESCが、身体のコントロール、バランス、感覚、四肢の動きを改善することが示されています(18)。さらに、ESCは、インスリンを分泌するβ細胞(GLUT2、INS1、GCKおよびPDX1で標識される)に直接分化することができ、これはPDX1を媒介したエピジェネティックなリプログラミングによって達成することができます(19)。

さらに、神経発生因子を過剰発現させることで、ヒト線維芽細胞を種々に誘導させた亜型ニューロン(iNC)に直接変換することも達成されました(20-23)。人工多能性幹細胞(iPSC)やiNCの作製は、in vitroでの細胞モデリングや神経発生の模倣研究における新しいツールとなり、神経変性疾患のダイナミックな病態を明らかにできるだけでなく、潜在的な細胞置換療法の開発に資するものです。

まとめると、近年のhESC生物学の進歩は、幹細胞工学の分野で大きな関心を集めています。しかしながら、その安全性に関する問題をまず克服しなければなりません。ESCを使用する上で最大の懸念事項の一つは、確立されたそれぞれのESC株が、着床前胚から単離されていることを確実にすることです。結果として、この手続きは倫理的に困難であり、更に一部の国では禁止されています。


参考文献

  1. Establishment of pluripotential cell lines from haploid mouse embryos.
  2. Differentiation of pluripotent embryonic stem cells into cardiomyocytes.
  3. Stem Cell Bioengineering
  4. Establishment in culture of pluripotential cells from mouse embryos.
  5. Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts.
  6. Towards the isolation of embryonal stem cell lines from the sheep.
  7. Pluripotency of cultured rabbit inner cell mass cells detected by isozyme analysis and eye pigmentation of fetuses following injection into blastocysts or morulae.
  8. Strategies for the isolation and characterization of bovine embryonic stem cells.
  9. Isolation of embryonic cell‐lines from porcine blastocysts.
  10. Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts.
  11. Germline competent embryonic stem cells derived from rat blastocysts.
  12. A method to recapitulate early embryonic spatial patterning in human embryonic stem cells.
  13. The ground state of embryonic stem cell self-renewal.
  14. Derivation and characterization of mouse embryonic stem cells from permissive and nonpermissive strains.
  15. BMP4 initiates human embryonic stem cell differentiation to trophoblast.
  16. The impact of culture on epigenetic properties of pluripotent stem cells and pre-implantation embryos.
  17. Testing of nine different xeno-free culture media for human embryonic stem cell cultures.
  18. Human embryonic stem cells in the treatment of patients with spinal cord injury.
  19. Differentiation of Mouse Embryonic Stem Cells Towards Functional Pancreatic Beta-Cell Surrogates through Epigenetic Regulation of Pdx1 by Nitric Oxide.
  20. Direct generation of functional dopaminergic neurons from mouse and human fibroblasts.
  21. Conversion of mouse and human fibroblasts into functional spinal motor neurons.
  22. MicroRNA-mediated conversion of human fibroblasts to neurons.
  23. Leukemia inhibitory factor promotes nestin-positive cells, and increases gp130 levels in the Parkinson disease mouse model of 6-hydroxydopamine.
Blog

Posted:
23 July, 2018

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