ホルモン・神経栄養因子

アルツハイマー病における幹細胞治療の現状と今後の展望

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Current status and future prospects of stem cell therapy in Alzheimer’s disease

www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6905342/

オンラインで公開2019年9月24日

要旨

アルツハイマー病は一般的な進行性神経変性疾患であり、病理学的にはβアミロイド斑と神経原線維のもつれの存在が特徴である。現在の治療法では、薬を用いた治療は症状を緩和するだけで、病気を治すことはできず、患者や介護者のQOL(生活の質)に影響を及ぼすことが問題となっている。

近年、幹細胞技術は、アルツハイマー病、パーキンソン病、筋萎縮性側索硬化症などの神経変性疾患の治療に新たな知見を提供している。現在、幹細胞の主な供給源は、神経幹細胞、胚性幹細胞、間葉系幹細胞、誘導多能性幹細胞などである。本総説では、アルツハイマー病の病態と一般的な治療法、アルツハイマー病治療における幹細胞移植の現状について述べる。また、アルツハイマー病の治療法としての幹細胞移植の臨床応用や薬剤開発における今後の課題を評価する。

キーワード

アルツハイマー病; βアミロイド; 薬物開発;胚性幹細胞;誘導多能性幹細胞;間葉系幹細胞;神経再生;神経再生;神経幹細胞;神経変性疾患;幹細胞療法

序論

アルツハイマー病は、臨床的に記憶喪失と認知機能障害を特徴とする神経変性疾患である。認知症の中で最も一般的な神経変性疾患であり,50~70%を占めている。認知症患者数は2015年に世界で4,680万人と推計され,2050年には1億3,150万人に達すると予測されている(Prince et al 2016)。アルツハイマー病は家族性アルツハイマー病(fAD)または散発性アルツハイマー病(sAD)に分類され、家族性アルツハイマー病は主にアミロイドβ前駆体タンパク質(APPプレセニリン1(PSEN1)プレセニリン2(PSEN2)の3つの遺伝子のいずれかに変異が認められ、それぞれがそれぞれのタンパク質をコードしている(Zhan et al 2017; Filadi and Pizzo, 2019)。アルツハイマー病の特徴的な特徴は、老人斑における細胞外βアミロイド(アミロイドβ)の蓄積であり、その後、異常に高リン酸化されたタウタンパク質の細胞内沈着(NFT)が続く(Xu, 2009)。アルツハイマー病の発症機序は未だ不明であり、治療法や治療薬はない。高齢者の増加に伴い、アルツハイマー病は臨床医学の最大の課題の一つとなっている。アルツハイマー病関連因子を標的とする試みは、動物モデルでは有望であったが、臨床試験では失敗に終わっている(Huang and Mucke, 2012)。したがって、アルツハイマー病の基礎となるメカニズムを明らかにし、この疾患の新しい治療戦略を開発することが急務となっている。

最近では、新しい治療法である幹細胞治療がアルツハイマー病患者の治療に大きな可能性を示している。本レビューでは、現在のアルツハイマー病治療のアプローチを紹介し、アルツハイマー病に対する幹細胞治療の進歩、課題、展望について議論する。PubMedデータベースをオンライン検索し、「アルツハイマー病」、「幹細胞治療」、「神経幹細胞」、「胚性幹細胞」、「間葉系幹細胞」、「誘導多能性幹細胞」という用語を用いて1998年から 2018年までに発表された論文やレビューを検索した。アルツハイマー病のメカニズムや、神経幹細胞(NSCs間葉系幹細胞(MSCs誘導多能性幹細胞(iPSCs)による治療に関する論文を収録した。これらの同分野の論文やレビューは最近(1998年~2018)に掲載されたもので、合計425件の論文を検索したが、そのうち108件が包含基準に沿って含まれており,317件が古いものや繰り返されているものは除外されていた。

アルツハイマー病の病態生理

発症に関しては、アルツハイマー病は通常65歳以上の高齢者が罹患する遅発型アルツハイマー病と、早期に著しいアルツハイマー病症状が出現することを特徴とする早発型アルツハイマー病の2つのタイプに分けられる(Rygiel, 2016)。アルツハイマー病の2つの病理学的特徴は、アミロイドβとNFTの沈着である(Xu, 2009; Lin er al)。 アミロイドβはAPPからタンパク質分解的に誘導され,2つの代替経路(Kikuchi et al 2017すなわちアミロイド原性経路と非アミロイド原性経路を介して切断され得る[図1]。非アミロイド原性経路では、βAPPはα-セクレターゼによってアミロイドβ配列内で切断され、膜に固定されたC末端フラグメントであるCTFαの産生につながる。あるいは、アミロイド生成経路では、APPはβ-セクレターゼによって切断され、CTFβを生成する。CTFαとCTFβの両方は、その後、γ-セクレターゼによって切断され、CTFαから短いペプチドp3を生成し、CTFβからアミロイドβを生成する(Xu, 2009)。可溶性APPは、試験管内試験および生体内試験で、初期中枢神経系における脳室下帯前駆細胞増殖の調節因子として、NSCの増殖を増強する(大澤 et al 1999; Caillé et al 2004; Gakhar-Koppole et al 2008; Li et al 2019)。

図1:セクレターゼ媒介アミロイド前駆体タンパク質処理経路

β-アミロイド(アミロイドβ)は、アミロイド-βタンパク質前駆体(APP)からタンパク質分解的に誘導され、これは、アミロイド生成経路と非アミロイド生成経路という2つの代替経路を介して切断され得る。非アミロイド経路では、APPは最初にα分泌酵素ADAMメタロペプチダーゼドメイン10によって切断され、大きなN末端フラグメント(可溶性APPα、sAPPα)の放出とC末端フラグメント(CTFα)の生成につながる。アミロイド生成経路では、βAPPは最初にβ-セクレターゼによって切断され、大きなN末端フラグメント(可溶性APPβ、sAPPβ)の放出とC末端フラグメント(CTFβ)の生成につながる。CTFαとCTFβの両方がγ-セクレターゼによってさらに切断され、その結果、細胞内ドメイン(AICD)が放出され、CTFαとCTFβからそれぞれp3フラグメントとアミロイドβが生成される。


もう一つの重要な因子であるタウは、神経細胞微小管関連タンパク質であり、リン酸化されると重要な役割を果たす。神経細胞質では、それはNFTの主要な構成要素である微小管を凝集させることができる(Iqbal et al 1998; Zhang et al 2019)。アルツハイマー病におけるタウ病理がアミロイドβ凝集に依存しているかどうかは定かではないが、タウタンパク質の欠失では神経変性が観察されないため、アミロイドβ凝集の毒性効果にはタウタンパク質が必要である。さらに、タウ欠失は細胞内アミロイドβクリアランスを減少させ、細胞外アミロイドβプラークを増加させる(Zhagn and Li, 2014)。

前述のように、家族性アルツハイマー病には、γ-セクレターゼ複合体の機能、アミロイドβ凝集、神経変性に関与する3つの遺伝子:APP、PSEN1,PSEN2が関与していることが示唆されている(Cacquevel et al 2012)。散発性アルツハイマー病の主な危険因子は、アミロイドβクリアランスに影響を与え、アルツハイマー病の発症に寄与する可能性のあるアポリポ蛋白質E(APOE)である。また、脳内ミクログリアによって選択的に発現するミエロイド細胞2上に発現するトリガー受容体(TREM2)は、ファゴサイトーシスを誘導し、炎症反応に影響を与える(Kanekiyo et al 2014;Yeh et al 2016)。さらに、TREM2-APOE経路は、神経変性疾患におけるミクログリアの表現型の変化を調節することができ、ミクログリアのホメオスタシスの回復に極めて重要である(Krasemann et al 2017)。今日までに、数千人から得られたヒトゲノムにおける数百万の多型の解析により、クラスター分化33(CD33クラスターチン(CLUフェルミチンファミリーホモログ2(FERMT2HLA-DRB5-DBR1,およびイノシトールポリリン酸5-リン酸化酵素(INPP5D)を含む、アルツハイマー病リスクに関連する多くの新しい遺伝子座が明らかにされている(Karch and Goate, 2015)。

アルツハイマー病の一般的な治療

抗アルツハイマー病薬や抗体の研究開発は、主に以下の3つのターゲットを中心に行われている。1)抗酸化作用,2)脳内のアミロイドβ沈着物を除去して認知機能障害を遅らせる作用,3)タウタンパク質のリン酸化を調節してフォールディングミスや異常凝集を減少させる作用(Godyń et al 2016;Wisniewski and Drummond,2016;Ibrahim and Gabr,2019)である。現在、抗アルツハイマー病薬を用いた臨床治療は、認知能力を改善するためのアセチルコリンエステラーゼ阻害薬や、患者の症状を改善するためのメマンチンなどのN-メチル-D-アスパラギン酸受容体拮抗薬の使用が主に行われているが、いずれも症状を治癒することはできない(Coley et al 2015;Zhang et al 2019)。

バイオジェン社(Biogen Inc. 米国ケンブリッジ、マサチューセッツ州)は、凝集したアミロイドβを選択的に結合し、脳に入り込み、げっ歯類ADモデルおよびアルツハイマー病患者において用量依存的にアミロイドβレベルを低下させることができる(Budd Haeberlein et al 2017)。本剤の高用量投与により脳液移行が起こり、ヘマトレンスファロンのリスクが高まる可能性があるが、この悪影響は磁気共鳴画像法を用いて初期段階で検出することができる。この薬剤で得られた知見は、現在進行中の第3相臨床試験で検証されている(Sevigny et al 2017)。

アナベックスライフサイエンス社(米国ニューヨーク市)の別の薬剤であるANAVEX 3-71は、Sigma-1受容体とM1受容体の誘導を介して、アルツハイマー病における認知障害と病理過程を減衰させることができる。最近の研究では、Sigma-1受容体(S1R)アゴニストがミトコンドリアの酸化ストレスを誘導し、アミロイドβ1-42によって誘導される複合体Iの活性を高めることが明らかになった。Sigma-1受容体は中枢神経系で高発現しており、アルツハイマー病後期に発生するアミロイドβ沈着とタウタンパク質の高リン酸化に必要とされる(Goguadze et al 2019)。Goguadze et al 2019)は、アルツハイマー病症状の減衰には、アミロイドβとタウタンパク質を同時に標的としたワクチンが必要である可能性を示した。Vaxine Pty Ltd. (オーストラリア、アデレード)は、アルツハイマー病用ワクチンのキーポイントとなり得る新技術、Vaxine Advaxアジュバントを開発し、進行中の前臨床評価およびヒト臨床試験のための有望な戦略となる(Davtyan et al 2016)。

低分子化合物のスクリーニングは、低分子化合物が神経損傷を調節し、神経の再生を増強することから、アルツハイマー病治療薬開発におけるもう一つの注目分野である可能性がある。ある研究では、内因性ニューロステロイドであるアロプレグナノロンが神経細胞の変性を改善し、試験管内試験および生体内試験の両方で神経分化を誘導し、マウスの学習および記憶能力を回復させたことが示されている(Singh et al 2012)。食品から抽出されたアピゲニンおよび関連化合物は、ラットモデルおよび成人ヒトにおいて、神経細胞の生成を増強し、学習・記憶能力を向上させた(Taupin, 2009)。報告されているように、ダウコステロール、プロトカテキン酸、およびフルオキセチンを含むいくつかの低分子化合物は、げっ歯類モデルにおいて、神経前駆細胞(NPC)の増殖、分化、および移動を誘導し、NPCのアポトーシスを防止し、神経の再生を促進し、学習障害を緩和することができる(Guan et al 2008;Jiang et al 2014;Khademi et al 2018)。しかし、これらの低分子がNSCのシグナル伝達にどのように影響を与えるかは不明のままである。NSCの生物学的挙動を調節するのは複雑なプロセスであり、正確な有益な濃度および治療時間を確認するためにさらなる研究が必要である。

アルツハイマー病の幹細胞治療

薬物治療は重要な臨床戦略であり、現在までのところ、それは主に神経細胞の変性を遅らせるものであり、主に早期発症のアルツハイマー病患者にのみ治療上の利益をもたらすものである。幹細胞治療は、幹細胞の自己再生能力と高い分化能により、アルツハイマー病治療に新たな可能性をもたらする。神経変性疾患の治療法としての細胞移植は、数年前にパーキンソン病で初めて検討された(Lindvall et al 1988)。パーキンソン病での前臨床効果をもとに、アルツハイマー病、筋萎縮性側索硬化症、ハンチントン病などの他の神経変性疾患にも応用されている。さらに、幹細胞は、脳の微小環境下で神経細胞に分化する能力を持つ未分化細胞であり、神経栄養因子を介して神経可塑性や神経新生を回復させることができる(Enciu et al 2011)。様々な細胞型に分化する能力に基づいて(Lee et al 2016b幹細胞は4つのタイプに分類される。NSC、MSC、胚性幹細胞(ESCおよびiPSCである。これらの細胞タイプはそれぞれユニークな特性を示しており、様々な方法で幹細胞治療レジームに利用することができる[図2]。

図2:アルツハイマー病における幹細胞治療の応用

幹細胞は、神経幹細胞、間葉系幹細胞、胚性幹細胞、誘導多能性幹細胞の4種類に分類される。いずれも神経前駆細胞を生成し、その結果、新しい神経細胞を生成したり、損傷した神経細胞を置換したりする能力を持っている。これらの細胞はそれぞれ、神経細胞の分化促進、ミクログリアの活性化、神経細胞のアセチルコリン(Ach)レベルの上昇、アルツハイマー病患者におけるβアミロイド(アミロイドβ)沈着の減少など、様々な点でユニークな特性を示している。

神経幹細胞

中枢神経系のすべての分化した神経細胞を生成することができる、NSCは、胎児、新生児、成人脳などの一次組織から、またはESCやiPSCsから供給することができる(Tong et al 2015)。ADモデルにおいて、NSC療法が有望な治療戦略であることを示唆する研究が増加しており、試験管内試験および生体内試験の両方でアルツハイマー病の病態および行動の改善を示している(Zhao, 2016; Wang et al 2017)。

Blurton-Jones et al 2009)は、最初にADマウスモデルで神経栄養サポートを提供する際にNSCの潜在的な利点を発見した。彼らは、ADマウスの海馬へのマウスNSCの移植が、海馬依存性の学習および記憶を救済することを実証した。彼らはさらに、NSCが試験管内試験で高レベルの脳由来神経栄養因子を生成し、また、NSC移植時に脳内の脳由来神経栄養因子タンパク質レベルを増加させ、これはADマウスの行動およびシナプス応答に必要であることを示した(Wu et al 2016; Marsh and Blurton-Jones,2017)。Zhang et al 2017)はまた、NSC移植が特定領域の認知およびシナプス障害を救済できることを実証した。ニューロン機能の回復は、ADマウスモデルにおける学習および記憶に極めて重要である(Marsh and Blurton-Jones, 2017; Wang et al 2017)。

別の研究では、改変ヒトNPCが、脳由来神経栄養因子、インスリン様成長因子1またはグリア細胞由来神経栄養因子を含む神経細胞栄養因子を分泌することにより、アミロイドβ42誘導細胞死を救済することができたため、アルツハイマー病の治療のために神経幹細胞が神経栄養因子を産生する可能性が示された(Kitiyanant et al 2012)。

上述したように、ニューロトロフィンは、移植されたNSCの生存および分化を促進することができる。軸索輸送におけるニューロトロフィン発現の減少およびニューロトロフィン機能の障害は、アルツハイマー病患者および動物モデルにおいて観察されており、ニューロトロフィンが神経細胞死および軸索変性において重要な役割を果たしていることが示されている(Poon et al 2011)。改変されたNSC-hNGF-eGFPは、ADラットモデルの脳に生存して融合し、神経栄養因子を分泌し、神経細胞の喪失を代替することができる。さらに、造血幹細胞の移植は、神経成長因子(NGF)の存在下で認知機能を改善することができ、アルツハイマー病のための実行可能な治療アプローチを提供することができる(Wu et al 2008)。しかしながら、試験管内試験でのNSC株の樹立に関連する多くの制限要因がある。これらの問題を克服するために,1つのアプローチは、NSCを、NSCと前駆細胞の混合物である神経球と呼ばれる浮遊球状の集合体として生成することであり、これはNSCの拡張を導く(Kim et al 2009)。一般的に、神経球は、上皮成長因子または基本的な線維芽細胞成長因子の存在下で10日間培養した後、試験管内試験で生成され、これらは、微小環境に対してより敏感であるように思われ、線維芽細胞よりも神経トロフィンの分泌を誘発する際に宿主の神経修復を改善する(Bonnamain et al 2012)。別の方法は、エピジェネティック不死化戦略と遺伝的不死化戦略の組み合わせを含み、これにより、細胞は不死化遺伝子(例えば、v-myc、c-myc、SV40T、またはTERT)で引き金を引かれ、増殖因子の存在下で増殖および分化が損なわれる(Villa et al 2009)。

グラフトされたNSCはまた、アミロイドβレベルを減少させるために、ネプリリシン、インスリン分解酵素、プラスミン、およびカテプシンBなどのADマウスモデルにおける宿主組織への潜在的な治療剤またはタンパク質を移植することができる(Kimおよびde Vellis,2009)。注入された線維芽細胞は、ネプリリリーシンの存在下でADマウスモデルにおけるアミロイドβプラーク産生を減少させることが示されており、同じネプリリーシン遺伝子を過剰発現するNSCは、ADマウスモデルにおけるアミロイドβプラークのより大きな減少を誘導することができる(Chen et al 2012b; Choi et al 2014)。

しかし、NSCの移植は、常に予測可能な転帰をもたらすとは限らず、遊走および分化は、レシピエントの脳微小環境によって大きく影響される可能性がある。ヒトAPPの過剰発現は、ヒト造血幹細胞の細胞運命を変化させ、ニューロンよりも多くのアストロサイトの生成をもたらし、移植された造血幹細胞の治療効果にAPP処理が負の影響を及ぼすことを示している(Kwak et al 2006)。

3xTg-ADマウスに移植されたヒトNSCは、中枢神経系の神経細胞型に分化し、認識を回復し、アミロイドβ蓄積およびタウリン酸化の減衰を介して学習および記憶障害を改善したが、ヒトAPPを発現するNSE/APPswマウスに移植されたヒトNSCは、他の障害を抑制することなくシナプス形成を増加させるだけであった(Ager et al 2015; Li et al 2016c)。さらに、NGFナノ粒子は、ADラットモデルにおけるNSC移植によって達成されたものと比較して、コリン作動性ニューロンの生成を増強するためにNGFを放出するために使用される可能性があり、臨床応用の研究および開発に新たな洞察を提供する(Chen et al 2015b; Corrêa-Velloso et al 2018)。

間葉系幹細胞

多能性幹細胞であるMSCは、骨髄、脂肪組織、肺、肝臓、臍帯などで多様な種類の細胞を生成することができる(Phinney and Prockop, 2007)。分離されたMSCは、骨芽細胞、脂肪細胞、膵島へと拡大・分化することができる(Dominici et al 2006)。

いくつかのタイプのMSCは、プロ炎症性サイトカインの分泌を介して神経疾患に有益な効果を示している。低酸素-虚血性脳障害に対する胎盤由来MSCおよびヒト臍帯由来MSCを用いた治療のメカニズムは、腫瘍壊死因子-α、インターロイキン(IL)-17,インターフェロン-γ、IL-10,およびIL-8を含む炎症反応の誘発を部分的に含む(Zhou et al 2015;Ding et al 2017)。骨髄MSC(BMMSC)は、IL-1β、IL-6,IL-17,および腫瘍壊死因子-αを含む免疫因子によって媒介される免疫系障害および神経変性疾患に関与することが示されている(Liu et al 2015年,2017;Ma et al 2015;Cui et al 2018)。

試験管内試験では、ヒトMSCは、海馬神経新生を劇的に増加させ、Wntシグナル伝達経路を介してNPCの成熟ニューロンへの分化を誘発することができる(Oh et al 2015)。さらに、ヒトMSCは、試験管内試験および生体内試験でオートファジーを増強することにより、アミロイドβ42のレベルを低下させることができた(Shin et al 2014)。さらに、ADマウスモデルの側脳室または海馬へのBMMMSCおよびヒト臍帯血由来MSCの移植は、アミロイドβ42の沈着を減少させ、神経細胞の生存を増加させることにより、記憶および空間学習を改善する(Salem et al 2014;Kim et al 2015;Matchynski-Franks et al 2016;OronおよびOron,2016)。同様に、自家BMMSCsは、虚血性障害患者の脳への移植に成功しており、ヒトMSCsの移植は、梗塞サイズの縮小および機能改善をもたらした(Honmou et al 2011)。

ラットから単離した脂肪由来幹細胞(ADSCs)は、試験管内試験で神経細胞やアストロサイト様細胞への分化を誘発することができる。ADSCの移植は神経機能を改善することができ、ADSCが有益な神経分化を促進し、ラットの機能改善を誘導することができることを実証した(Chen et al 2012a)。ヒトADSCをADマウスモデルに静脈内注入したところ、Maestroイメージングシステムを用いて注入後12日まで脳内で強いシグナルが確認された(Ha et al 2014)。さらに、げっ歯類モデルでは、ADSCsの移植は、認知障害を改善し、経由して学習と記憶を改善することができる。

  • (1)酸化ストレスの減少
  • (2)Akt活性の防止、およびグリコーゲン合成酵素キナーゼ-3βの活性化
  • (3)アミロイドβレベルの減少、IL-10および血管内皮増殖因子レベルのアップレギュレーション、神経新生の増強、およびシナプスおよび樹状突起の安定化(Chang et al 2014;Yan et al 2014;Yamazaki et al 2015)。

MSCの使用は、NSCと比較して幹細胞治療の有望な戦略であることが報告されている。しかし、多くの種類のMSCには、適用上の様々な欠点がある。BMMSCsの抽出および培養は困難であり、臨床試験での使用は制限されている。これらの制限にもかかわらず、近年、ADSCおよびヒト臍帯血由来のMSCは、アルツハイマー病治療のための新規な選択肢であることが示されている(Wang et al 2017)。

胚性幹細胞

自己再生型の多能性幹細胞であるESCは、試験管内試験において、ドーパミン作動性ニューロン(Martínez-Morales et al 2013脊髄運動ニューロン(Hu and Zhang,2009グリア細胞(Krencik et al 2011)を含む様々なニューロン表現型に自然に分化し、胚盤胞の内側の細胞塊から抽出される(Glat and Offen,2013;Tong et al 2015)。アルツハイマー病動物モデルにおいて、ESC由来のNSCが腫瘍形成を伴わずに安全に移植できることが報告されているが、これらの結果は検証が必要である(Borllongan,2012;Kim et al 2013;Tong et al 2015)。

報告されているように、ESCは試験管内試験でNPCに誘導することができる。これらの細胞をアルツハイマー病動物モデルに移植すると、ある種のMESPU35 ES細胞株が特定の条件下で有効な治療活性を示す可能性がある。Morris水迷路試験における脱出潜時は、アミロイドβ損傷ラットモデルにESC由来のNPCを2週間移植した後、対照群と比較して劇的に高いことが判明した。NPCを移植した群のみの平均時間は約36秒、対照群は約42秒である。移植後16週間後には、脱出潜時が偽の対照群に比べて劇的に減少していた。さらに、ESC由来のNPCは、生体内でもアストロサイト細胞やニューロン様細胞に分化することができる。これらのデータは、ESC 由来の NPC 移植が アルツハイマー病 モデルにおける記憶障害を改善できることを示している (Tang et al 2008)。

ヒトESCの移植を含むいくつかの臨床試験がすでに開始されている。ヒトESC由来細胞を用いた最初の米国食品医薬品局認可の臨床試験は,2010年にGeron Corp. Menlo Park, CA, USA)によって、脊髄損傷用のオリゴデンドロサイト前駆細胞を作製する試験が2010年に開始された(Baker, 2011)。2011年後半には、ヨーロッパでの特許申請をしていないため、予想外の結果が出たため、Geron Corp.はこの臨床試験を中止した。サンフランシスコに拠点を置くAsterias Biotherapeutics/BioTime社(米国カリフォルニア州アラメダ)は、閉鎖された幹細胞プログラムを買収し、今後2年以内にヒトESCを用いた脊髄損傷治療の臨床試験を再開する可能性がある。願わくば、将来的には、アルツハイマー病患者の治療において、より価値のある情報が得られることを期待している(Martínez-Morales et al 2013; Scott and Magnus, 2014)。

それにもかかわらず、多くの利点があるにもかかわらず、ESCは、移植拒絶および免疫応答の高いリスクと関連している(Martínez-Morales et al 2013; Wray and Fox,2016)。NSCやMSCの使用とは異なり、ESCの直接移植は、腫瘍形成や奇形腫形成の可能性があるため、懸念される可能性がある(Cui et al 2013; Alonso-Alonso and Srivastava,2015)。確立されたESC株が異なる場合のドナー細胞のばらつきなど、ESC特有の性質や培養条件に関する情報は不十分である(Tong et al 2015)。脳は免疫的に恵まれていると考えられているが、ごく少数のドナー細胞がヒト白血球抗原ハプロタイプにマッチしたままであるため、細胞移植による免疫拒絶を避けるためには、レシピエントにおけるある程度の免疫抑制が必要である。少数の例外は存在するが、ドナー細胞とレシピエントの適合性を改善し、将来的に免疫拒絶反応を防ぐためには、より新しいアプローチが必要である(Hallett et al 2014; Chen et al 2015a)。

誘導多能性幹細胞

典型的には、iPSCは、再プログラミング因子POUドメインクラス5転写因子1(POU5F1,OCT3/4としても知られている性決定領域Yボックス2(SOX2Krüppel様因子4(KLF4)および骨髄細胞腫症オンコジーン(c-MYC)(共にOSKMと呼ばれる)の導入を介して、マウス胚または成体線維芽細胞から誘導され、多能性の維持を促進し、神経細胞への分化を導く(Fan et al 2014; 高橋および山中2015)。2014; 高橋・山中,2015)。) 2016,山中伸弥博士のグループは、レトロウイルスを介してこれらの転写因子を誘導し、初めてiPSCを作製した(高橋・山中,2006)。これまでのところ、多くの新規な方法が、成功率を高めるためのリプログラミング技術を大幅に改善してきた。アルツハイマー病のメカニズムに対処する上で潜在的に強力なツールであるiPSCsは、形態学、任意の細胞型に分化する能力、および無制限の成長を含むESCと比較して最も同一の特性を示す(Yamanaka, 2009; Imm et al 2017)。

ヒト由来のiPSCsはまた、アルツハイマー病に対する細胞置換療法のための有益なツールを提供する。家族性アルツハイマー病もしくは散発性アルツハイマー病、または早期もしくは後期発症アルツハイマー病を有する患者からの末梢血単核細胞は、iPSCsに変換することができる(Israel et al 2012;Lee et al 2016a;Zhang et al 2017)。さらに、PSEN1またはAPPの変異を有するアルツハイマー病患者からiPSCsを生成することができる(Muratore et al 2014;Li et al 2016a、b;Tubsuwan et al 2016;Yang et al 2016)。ヒトiPSCsは、アミロイドβのシナプス毒性効果を検出するための前向きモデルであり得、シナプス後α-アミノ-3-ヒドロキシ-5-メチル-4-イソオキサゾールプロピオン酸受容体およびタウタンパク質のホスホリル化におけるアミロイドβ誘発性変化を示す可能性がある(Nieweg et al 2015)。さらに、前脳コリン作動性ニューロンの喪失は、アルツハイマー病において重要な役割を果たしている。したがって、適切なAPOE遺伝子型(ε3/ε4)を有する散発性アルツハイマー病-iPSC由来のFBCNは、健常者由来のFBCNよりもアミロイドβ42/アミロイドβ40比の増加に続くグルタミン酸介在性細胞死に対してより脆弱である(Duan et al 2014)。iPSCsから生成された神経細胞は、治療薬スクリーニングにおける低分子化学化合物の試験にも使用されている(Xu et al 2013; Robbins and Price,2017)。報告されているように、ヒト多能性幹細胞は、ハンチントン病における凝集しやすいハンチンのプロテオスタシスを維持するための多能性幹細胞の顕著な能力のために再必須である、T-complex protein 1-ring complex (TRiC)/chaperonin containing T-complex protein 1 (CCT) complexの増強されたアセンブリを示す。おそらく、単一サブユニットであるCCT8の発現の増加は、TRiC/CCT依存的な方法でCaenorhabditis elegansの寿命を延長する(Noormohammadi et al 2016)。

アルツハイマー病-iPSCsは、転写活性化因子様エフェクターヌクレアーゼまたはクラスター化調節性インタースペーシング短鎖リピート技術を介して得ることができ、修復されたアルツハイマー病-iPSCsは、現在、疾患プロセスを制御するための細胞移植に利用されている(Mungenast et al 2016; Yang et al 2016)。しかし、アルツハイマー病患者へのiPSCsの臨床使用にはいくつかの課題がある。ある報告によると、iPSCsはリプログラミング因子を介して体細胞に由来することができ、リプログラミングプロセスは体細胞をより若々しい状態にリセットし、テロメアを伸長させ、ミトコンドリアネットワークを再編成し、iPSCsはESCを模倣することができないことを示している(Rohani et al 2014)。

課題と約束

幹細胞治療の多くの利点を考慮して、科学的・医学的研究ではますます注目されている。2010年の世界の幹細胞治療市場は109億ドルに達した。2017年には、世界の幹細胞治療市場のシェアは512.6億ドルに増加した[図3]。幹細胞の登場は、この病気に新たな光をもたらした。細胞アッセイや動物モデルで使用された幹細胞は一定の成果を上げているが、臨床応用までにはまだ多くの課題がある[表1]。

図3:2010年~2024年の世界の幹細胞治療市場。

 

表1 幹細胞のメリット・デメリット

細胞 ソース 利点 短所
神経幹細胞 一次組織(胎児、新生児、および成人の脳)または胚性幹細胞および人工多能性幹細胞 (1)アクセスが簡単。 (1)強い免疫原性;
(2)倫理的な問題はない。 (2)細胞の増殖、分化、遊走のメカニズムは不明
(3)組織適合性はない。
間葉系幹細胞 骨髄、脂肪組織、および臍帯 (1)広範な情報源。 (1)骨髄間葉系幹細胞-原材料が限られており、増殖が不十分で、外傷性である。
(2)複数の生物活性因子を分泌する。 (2)臍帯血間葉系幹細胞の統一された同定基準はなく、invitroでの培養技術と分化はまだ成熟していない。
(3)方向性のある移行。
胚性幹細胞 初期胚 (1)強力な増殖能力; (1)倫理的問題;
(2)豊富な情報源。 (2)同種移植片は大きな拒絶反応を引き起こす。
(3)引き継ぐことができる。 (3)無制限の分化;
(4)腫瘍形成性。
人工多能性幹細胞 遺伝子組換え (1)倫理的な問題はない。 (1)複雑な操作プロセス。
(2)組織適合性はない。 (2)再プログラミング効率が低い。
(3)突然変異誘発;
(4)腫瘍形成性。

各幹細胞には特定の神経原性の可能性があり、特定の結果を達成することができるが、臨床応用に使用する前に解決すべき多くの問題がまだある。


NSCは、特定の微小環境において自己複製し、神経細胞に分化することができ、NSCグラフトは、ADマウスモデルにおいて明らかな治療効果を有する(Li et al 2016c)。しかし、NSCの直接移植は、その供給源が限られており、強制的な免疫原性を有するため、実行可能ではない。

自己複製能力、多分化能、豊富な供給源、および低い免疫拒絶率を有することに加えて、MSCは催奇形性の影響を受けにくく、試験管内試験で迅速に増殖する。このように、MSCは臨床応用において独自の利点を持っている。しかし、MSCの分化能はESCに比べて低く、移植時に制御不能な要因を持つ可能性があり、それが臨床応用に影響を与える(Sugaya and Merchant, 2008)。

同様に、iPSCのアルツハイマー病治療への応用についても、未解決の問題点が多い(Yagi er al)。 iPSCの神経細胞への分化を長期間にわたって誘導すると、PSEN1やPSEN2の突然変異を誘発し、神経細胞の形態や機能に影響を与える可能性があるため、必要なiPSCの数は明確ではない。移植された幹細胞の種類に加えて、標的となる移植部位も重要な因子である。アルツハイマー病の病因は不明であり、アルツハイマー病関連の損傷は脳のあらゆる部位で観察されているため、最適な移植部位を決定することは困難である。

(Freeman et al 2017)は、直交するDNAハンドルを介して異なる生理活性シグナルを調節できる新しい分子システムを導入し、マウス脊髄由来のNSCが自らを神経球として組織化し、外因性シグナルによる誘導時に分散・移動し、シグナルが引き出されると神経球に再集合することを発見した。”幹細胞治療における細胞-マトリックス相互作用の重要な役割を研究するための魅力的なモデルであり、合理的に設計されたダイナミックな再生生体材料をアルツハイマー病治療の治療法として臨床応用するための新たな道筋を提供する。

おわりに

幹細胞治療に注目が集まっている。最近の研究では、アルツハイマー病、パーキンソン病、筋萎縮性側索硬化症などの神経変性疾患の治療に重要な役割を果たす可能性が示唆されている。幹細胞の使用に関連した未解決の問題や課題は多いが、データは、幹細胞治療がアルツハイマー病治療のための前向きな方法であることを示している[112]。

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