Munemasa Mori1, Kazuhiro Furuhashi2, Jennifer A. Danielsson3, Yuichi Hirata2, Miwako Kakiuchi2, Chyuan-Sheng Lin4, Mayu Ohta5, Paul Riccio5, Yusuke Takahashi6,7, Xinjing Xu8, Charles W. Emala3, Chao Lu8,
Hiromitsu Nakauchi9,10, Wellington V. Cardoso11,12
1.Columbia Center for Human Development and Division of Pulmonary, Allergy, Critical Care, Department of Medicine, Columbia University Irving Medical Center, New York, NY, USA. mm4452@cumc.columbia.edu.
2.Columbia Center for Translational Immunology, Department of Medicine, Columbia University Irving Medical Center, New York, NY, USA.
3.Department of Anethesiology, Columbia University Irving Medical Center, New York, NY, USA.
4.Bernard and Shirlee Brown Glaucoma Laboratory, Department of Pathology and Cell Biology, College of Physicians and Surgeons, Columbia University Irving Medical Center, New York, NY, USA.
5.Columbia Center for Human Development and Division of Pulmonary, Allergy, Critical Care, Department of Medicine, Columbia University Irving Medical Center, New York, NY, USA.
6.Institute for Stem Cell Biology and Regenerative Medicine, Department of Genetics, Stanford University School of Medicine, Stanford, CA, USA.
7.Division of Stem Cell Therapy, Distinguished Professor Unit, The Institute of Medical Science, The University of Tokyo, Minato-ku, Tokyo, Japan.
8.Department of Genetics and Development and Herbert Irving Comprehensive Cancer Center, Columbia University Irving Medical Center, New York, NY, USA.
9.Institute for Stem Cell Biology and Regenerative Medicine, Department of Genetics, Stanford University School of Medicine, Stanford, CA, USA. nakauchi@stanford.edu.
10Division of Stem Cell Therapy, Distinguished Professor Unit, The Institute of Medical Science, The University of Tokyo, Minato-ku, Tokyo, Japan. nakauchi@stanford.edu.
11.Columbia Center for Human Development and Division of Pulmonary, Allergy, Critical Care, Department of Medicine, Columbia University Irving Medical Center, New York, NY, USA. wvc2104@cumc.columbia.edu.
12.Department of Genetics and Development and Herbert Irving Comprehensive Cancer Center, Columbia University Irving Medical Center, New York, NY, USA. wvc2104@cumc.columbia.edu.
Generation of functional lungs via conditional blastocyst complementation using pluripotent stem cells
コロンビア大学のCardoso研究室の森宗昌研究員（instructor: 研究チームリーダー）と東京大学（Stanford大学教授を兼任）の中内啓光特任教授は共同研究を行い、約4年かけて機能肺作製の実現に取り組んできました。この共同研究チームは、肺形成に必須の分子である遺伝子Fgfr2をShhプロモーターを用いて内胚葉特異的に欠損させ、他の臓器にあまり影響を及ぼさない、肺だけができない条件付き（Conditional）のモデルマウスを作製し、その表現型を胚盤胞置換法で補完することを目指しました（Conditional blastocyst complementation：CBC）。このマウスは産まれた直後、肺がないため、呼吸ができずに死んでしまいます。この致死的な状態を救済するために、多能性細胞（ドナー細胞）を胎児発生の初期、胚盤胞形成期に移植しました。さまざまな条件検討の結果、キメラ形成能が高い多能性幹細胞を極めて高効率に維持する新規の培養系(a2i/VPA/LIF)を開発し、そこで培養されたドナー細胞を胚盤胞形成期に移植することで、ドナー細胞由来の肺を高効率に作製できることを証明しました。 この再生肺は、肺の機能検査でコントロールである野生型キメラマウスと同等の肺機能を維持し、その遺伝子改変マウスは生後から成体（人でいうところの大人）まで、全く問題なく、生きのびることができるということを証明しました。さらに、内胚葉特異的にBeta－Cateninを欠損させることで、肺と気管支が発生しない、別の肺無形成マウスモデルも作製しました。このマウスモデルにおいても、新規培養系で培養されたドナー細胞を移植すると、肺と気管支の両方が補完され、マウスが成体まで生きることが証明されました。すなわち、構造が複雑で細胞種が多い肺のような臓器でも、CBCと新規培養系を組み合わせることで、機能臓器の再生が可能であることが証明されました。これらの研究成果は、2019年11月7日、米国科学雑誌「Nature Medicine」on-line版で公開されました。
共同研究チームは今後、この成果を生かした難治性肺病態疾患モデル動物の開発や、大動物への応用を期待しています。
