生体外でのヒト造血幹細胞増幅技術を開発 ～血液疾患の細胞治療実現に向けて～

発表の概要

造血幹細胞は、赤血球・白血球・血小板といったさまざまな血液細胞へ分化する能力を持っており、難治性血液疾患に対して行われる造血幹細胞移植では、移植後の造血および免疫の再構築において重要な役割を担います。しかし、造血幹細胞は非常に数が少なく、特に臍帯血移植においては、移植のリスクが増したり、ドナー選択が制限される可能性があることから、生体外増幅技術の確立が求められています。 これまで、生体外での造血幹細胞の維持には、血清アルブミンとサイトカインを組み合わせた培地が不可欠とされてきましたが、実際には、短期間の造血幹細胞維持はできるものの、その増幅作用は限定的でした。 2019年に日米英独共同研究グループは、ポリビニルアルコール培地にサイトカインを加えると、血清アルブミンを用いずに、長期に安定してマウス造血幹細胞を増幅できることを報告しています。これに基づき、今回、アルブミンとサイトカインを、それぞれ高分子ポリマーと特定の化合物に置き換えた培地を用いて、ヒト造血幹細胞の生体外での長期増幅を可能とする新規の培養技術を開発しました。これにより、臍帯血に含まれるヒト造血幹細胞を1か月間にわたって増幅することができます。さらに、単一細胞RNAシークエンス解析により、既存の培養技術と比較しても、造血幹細胞が選択的に増幅されることが示唆されました。 今後、この培養技術をヒト造血幹細胞の基礎研究ツールとして提供するとともに、より安全な造血幹細胞移植の実現とドナー不足の解消に向けた臨床応用を目指します。

　研究代表者

筑波大学医学医療系／東京大学医科学研究所 幹細胞生物学分野
山﨑 聡 教授／特任准教授
慶應義塾大学医学部 内科学教室（血液）
櫻井 政寿 専任講師
 

　研究の背景　

造血幹細胞は、骨髄中に存在し、赤血球・白血球・血小板といったさまざまな血液細胞へ分化する能力を持つ細胞です。血液疾患の治療に広く用いられており、化学療法だけでは治らない白血病や悪性リンパ腫などの難治性血液がん、あるいは再生不良性貧血などの造血不全をきたす疾患に対して、健常人ドナーから採取した造血幹細胞を移植する造血幹細胞移植が広く行われています。

しかしながら、この造血幹細胞は非常に稀な細胞であり、特に国内で広く用いられている臍帯血移植では、含まれる造血幹細胞の数が少ないために、生着^注1が遅れて感染症のリスクが増したり、ドナー選択が制限される可能性が示唆されています。そのため、より安全な造血幹細胞移植の実現には、とりわけ臍帯血に含まれる造血幹細胞の生体外増幅を行うことが重要です。また近年は、鎌状赤血球貧血や先天性免疫不全症などの遺伝性血液疾患に対して、患者自身の造血幹細胞を採取・培養し、異常な遺伝子を修復した後に再び体内に戻して正常な造血を回復させる遺伝子治療法の開発も進められています。

このようなヒト造血幹細胞の増幅においては、これまで、血清アルブミン^注2とサイトカイン^注3を組み合わせた培地が、生体外での維持には不可欠であると考えられてきました。しかし実際には、造血幹細胞の短期間の維持は可能ですが、その増幅作用は限定的でした。

日米英独共同の本研究グループ^注4は、マウス造血幹細胞について、ポリビニルアルコール（PVA）^注5にstem cell factor（SCF）とトロンボポエチン（TPO）の2種類のサイトカインを加えることによって、血清アルブミンを用いずに、長期に安定して増幅できる培養技術を報告しています。そこで今回、これに基づき、血清アルブミンやサイトカインを用いることなく、化合物で構成された培地を用いて、長期に安定したヒト造血幹細胞の増幅技術の開発を目指しました。
 

　研究内容と成果　

PVAにSCFとTPOを加えた培地条件では、マウスと異なり、ヒト造血前駆細胞の増幅は限定的でした。そこで、マウスとヒトの造血前駆細胞の違いを調べるために、培養中の主要なシグナル伝達経路のリン酸化状態を分析したところ、ヒトではホスファチジルイノシトール3-キナーゼ（PI3K）/AKTの有意な減少が観察されました（図1）。そこで、PI3K-AKTシグナルを活性化させるため、740Y-P（PI3Kを活性化させる化合物）を加えたところ、7日目時点ではヒト造血前駆細胞の増幅率が改善しました。さらに、740Y-Pを加えるとSCFが不要であること、またTPO受容体作動薬^注6であるブチザミドを用いるとTPOも不要になることを見出しました。これらの結果から、PVAに740Y-Pとブチザミドを加えた培地（2a培地）では、サイトカインを用いずともヒト造血前駆細胞を7日間培養可能であることを確認しました。しかし、この方法では、14日間経過すると巨核球（血小板をつくる細胞）に分化してしまうことも分かりました。