胚性幹細胞
細胞培養中のヒト胚性幹細胞
多能性：胚性幹細胞は、胎盤細胞を除くあらゆる種類の細胞に分化することができます。桑実胚の胚性幹細胞のみが全能性を有し、胎盤細胞を含むあらゆる種類の細胞に分化することができます。

胚性幹細胞（ESC）は、着床前の初期段階にある胚盤胞の内部細胞塊から得られる多能性幹細胞です。[ 1 ] [ 2 ]ヒトの胚は受精後4～5日で胚盤胞期に達し、その時点では50～150個の細胞で構成されています。免疫外科手術を用いて内部細胞塊（胚芽）を単離すると、胚盤胞が破壊されます。この過程は、着床前段階の胚と着床後段階の胚とで同じ道徳的配慮が認められるかどうかなど、倫理的な問題を引き起こします。 [ 3 ] [ 4 ]

研究者たちは胚性幹細胞の治療可能性に大きな注目を寄せており、多くの研究室では臨床応用を目標としています。[ 2 ]潜在的な用途としては、糖尿病や心臓病の治療などが挙げられます。[ 2 ]これらの細胞は、臨床治療、遺伝性疾患のモデル、細胞/DNA修復への応用を目的に研究されています。しかしながら、腫瘍や望ましくない免疫反応といった、研究および臨床過程における副作用も報告されています。[ 5 ]

特性

IPS細胞
胚性幹細胞のトランスクリプトーム

胚性幹細胞（ES細胞）は、哺乳類の初期胚の胚盤胞段階から得られ、あらゆる胚細胞への分化能と自己複製能によって特徴付けられます。これらの特性こそが、ES細胞を科学・医療分野において貴重なものにしているのです。ES細胞は正常な核型を持ち、高いテロメラーゼ活性を維持し、顕著な長期増殖能を示します。[ 6 ]

多能性

内部細胞塊の胚性幹細胞は多能性を有し、分化して原始外胚葉を生成することができます。原始外胚葉は最終的に胚葉形成の過程で、外胚葉、内胚葉、中胚葉という3つの主要な胚葉のすべての派生組織に分化します。これらの胚葉は、成人の体内で220種類以上の細胞種を生成します。適切なシグナルが与えられると、ES細胞はまず前駆細胞を形成し、その後、目的の細胞種へと分化します。この多能性により、胚性幹細胞は、多能性を有しながらも限られた数の細胞種しか生成できない成体幹細胞と区別されます。

構造の自己再生と修復

特定の条件下では、胚性幹細胞は未分化状態で無期限に自己複製することができます。自己複製条件は、細胞の凝集を防ぎ、未分化状態を維持する環境を維持する必要があります。[ 7 ]通常、これは血清と白血病阻害因子を含む培地、または2つの阻害薬（「2i」）であるMEK阻害剤PD03259010とGSK-3阻害剤CHIR99021を添加した無血清培地を用いて実験室で行われます。 [ 8 ]

成長

ES細胞は細胞周期のG1期が短縮されているため、非常に頻繁に分裂する。急速な細胞分裂により、細胞は急速に数が増えるがサイズは大きくならず、これは初期胚発生に重要である。ES細胞では、G1/S遷移に関与するサイクリンAおよびサイクリンEタンパク質が常に高レベルで発現している。[ 9 ]細胞周期の進行を促進するCDK2などのサイクリン依存性キナーゼは、その阻害剤のダウンレギュレーションにより部分的に過剰に活性化している。[ 10 ]細胞がS期に入る準備ができるまで転写因子E2Fを阻害する網膜芽細胞腫タンパク質は、ES細胞で過剰リン酸化されて不活性化され、増殖遺伝子の持続的な発現につながる。[ 9 ]これらの変化によって細胞分裂の周期が加速される。増殖促進タンパク質の高発現とG1期の短縮は多能性の維持と関連付けられているが、[ 11 ] [ 12 ]、無血清2i条件下で培養されたES細胞は、低リン酸化活性網膜芽細胞腫タンパク質を発現し、G1期が延長している。[ 13 ]血清を含む培地で培養されたES細胞と比較した場合、細胞周期のこの違いにもかかわらず、これらの細胞は同様の多能性特性を示す。[ 14 ]多能性因子Oct4とNanogは、胚性幹細胞周期の転写制御に役割を果たしている。[ 15 ] [ 16 ]

用途

胚性幹細胞は可塑性と潜在的に無限の自己複製能力を持つことから、再生医療や損傷または疾患後の組織置換への応用が提案されている。多能性幹細胞は、脊髄損傷、加齢性黄斑変性症、糖尿病、神経変性疾患（パーキンソン病など）、エイズなど、さまざまな疾患の治療に有望であることが示唆されている。 [ 17 ]再生医療における可能性に加えて、胚性幹細胞は組織/臓器の代替供給源となり、ドナー不足のジレンマに対する解決策となる可能性がある。しかし、これには倫理的な論争がある（以下の倫理的議論のセクションを参照）。これらの用途以外にも、ES細胞はヒトの初期発達、特定の遺伝性疾患、およびin vitro毒性試験の研究にも使用することができる。[ 6 ]

利用

2002年のPNAS誌の記事によると、「ヒト胚性幹細胞は様々な細胞型に分化する可能性を秘めており、移植や組織工学のための細胞源として有用である可能性がある。」[ 18 ]

組織工学

形成後24時間の胚様体

組織工学において、幹細胞の利用は重要であることが知られています。組織をうまく工学的に操作するためには、使用する細胞がサイトカインの分泌、シグナル伝達分子の産生、隣接細胞との相互作用、適切な組織における細胞外マトリックスの生成など、特定の生物学的機能を果たすことができなければなりません。幹細胞は、これらの特定の生物学的機能を発揮するだけでなく、自己複製能力と1つ以上の種類の特殊細胞への分化能力も備えています。胚性幹細胞は、組織工学への利用が検討されている供給源の1つです。[ 19 ] ヒト胚性幹細胞の利用は、組織工学に多くの新たな可能性をもたらしましたが、ヒト胚性幹細胞を利用する前に乗り越えなければならない多くのハードルがあります。胚性幹細胞を改変して、患者に移植した際に免疫反応を引き起こさないようにすることができれば、これは組織工学における革命的な一歩となるだろうと考えられています。[ 20 ]胚性幹細胞は組織工学に限定されません

細胞補充療法

研究は、最終的に細胞補充療法として利用することを目指して、ES細胞を様々な細胞種に分化させることに焦点が当てられてきました。開発済みまたは現在開発中の細胞種としては、心筋細胞、ニューロン、肝細胞、骨髄細胞、膵島細胞、内皮細胞などが挙げられます。[ 21 ] しかし、ES細胞からこれらの細胞種を誘導するには障害が伴うため、研究はこれらの障壁を克服することに重点を置いています。例えば、ES細胞を組織特異的な心筋細胞に分化させ、成体心筋細胞と区別される未熟な特性を排除するための研究が進行中です。[ 22 ]

臨床的可能性

創薬

ES細胞は、臓器移植の重要な代替手段となるだけでなく、毒物学の分野でも、また、低分子薬として開発できる新しい化学物質を発見するための細胞スクリーニングとしても使用されています。研究によると、ES細胞由来の心筋細胞は、薬物反応を試験し、毒性プロファイルを予測するためのin vitroモデルとして検証されています。[ 21 ] ES細胞由来の心筋細胞は薬理学的刺激に反応することが示されており、したがって、トルサード・ド・ポアント などの心毒性を評価するために使用できます。[ 29 ]

ES細胞由来肝細胞は、創薬の前臨床段階で使用できる有用なモデルです。しかし、ES細胞からの肝細胞の開発は困難であることが判明しており、薬物代謝試験の妨げとなっています。そのため、研究は、安定した第I相および第II相酵素活性を有する、完全に機能するES細胞由来肝細胞の樹立に焦点が当てられてきました。[ 30 ]

遺伝性疾患のモデル

胚性幹細胞を用いた遺伝性疾患のモデル化という概念に着目した新たな研究がいくつか始まっています。幹細胞を遺伝子操作する方法、あるいはより最近では出生前遺伝子診断（PGD）によって特定された疾患細胞株を樹立する方法など、幹細胞を用いた遺伝性疾患のモデル化は既に実現されています。このアプローチは、脆弱X症候群、嚢胞性線維症、その他信頼できるモデル系が存在しない遺伝性疾患の研究において、非常に有用であることが証明される可能性があります。

胚・細胞遺伝学（遺伝子細胞学）を専門とするロシア系アメリカ人の医学研究者、ユーリ・ヴェルリンスキー氏は、標準的な羊水穿刺よりも1か月半早く遺伝性疾患や染色体異常を判定する出生前診断検査法を開発した。この技術は現在、多くの妊婦や将来親になる予定のカップル、特に遺伝性異常の病歴があるカップルや女性が35歳以上（遺伝性疾患のリスクが高い）のカップルに利用されている。さらに、両親が遺伝性疾患のない胚を選択できるようにすることで、疾患のない子孫の細胞を用いて、すでに同様の疾患や障害を抱えていた兄弟姉妹の命を救う可能性もある。[ 31 ]

DNA損傷の修復

分化した体細胞とES細胞は、DNA損傷への対処に異なる戦略を用いています。例えば、体細胞の一種であるヒト包皮線維芽細胞は、細胞周期のあらゆる段階において、二本鎖切断（DSB）を修復するための主要な経路として、エラーを起こしやすいDNA修復プロセスである非相同末端結合（NHEJ）を利用しています。[ 32 ] このエラーを起こしやすい性質のため、NHEJは細胞のクローン子孫に変異を引き起こす傾向があります。

ES細胞は、DSBに対処するために異なる戦略を使用する。[ 33 ] ES細胞は生殖細胞を含む生物の全ての細胞型を生み出すため、DNA修復の欠陥によってES細胞に生じる変異は、分化した体細胞よりも深刻な問題である。その結果、ES細胞には、DNA損傷を正確に修復し、修復が失敗した場合には修復されていないDNA損傷を持つ細胞を除去するための堅牢なメカニズムが必要である。したがって、マウスES細胞は主に高忠実度相同組み換え修復（HRR）を使用してDSBを修復する。[ 33 ] このタイプの修復は、S期に形成され、細胞周期のG2期に一緒に存在する2つの姉妹染色体の相互作用に依存する。HRRは、一方の姉妹染色体からの完全な情報を使用して、もう一方の姉妹染色体のDSBを正確に修復することができる。細胞周期のG1期（つまり、中期/細胞分裂後、次の複製サイクルの前）にある細胞は、各染色体の1つのコピーしか持たない（つまり、姉妹染色体は存在しない）。マウスES細胞にはG1チェックポイントが存在せず、DNA損傷を受けても細胞周期が停止しない。[ 34 ]むしろ、DNA損傷に反応してプログラム細胞死（アポトーシス） を起こす。 [ 35 ] アポトーシスは、修復されていないDNA損傷を持つ細胞を除去するためのフェイルセーフ戦略として利用でき、変異や癌への進行を防ぐことができる。[ 36 ] この戦略と一致して、マウスES幹細胞の変異頻度は、同質遺伝子型マウス体細胞の約100倍低い。[ 37 ]

臨床試験

2009年1月23日、ヒトES細胞由来のオリゴデンドロサイト（脳と脊髄の細胞の一種）を脊髄損傷患者に移植する第I相臨床試験が米国食品医薬品局（FDA）の承認を受け、世界初のヒトES細胞を用いた臨床試験となった。[ 38 ]この科学的進歩につながった研究は、カリフォルニア大学アーバイン校のハンス・ケアステッド氏らが実施し、マイケル・D・ウェスト博士が設立したカリフォルニア州メンロパークのジェロン社が支援した。以前の実験では、オリゴデンドロサイト系に誘導されたヒトES細胞を7日遅らせて脊髄損傷ラットに移植したところ、運動機能の回復が改善することが示されていた。[ 39 ]第1相臨床試験は、瘢痕組織が形成される前に細胞を注入する必要があるため、試験開始の2週間以内に負傷した下半身麻痺患者約8～10人を登録するように設計されました。研究者らは、注射によって患者が完全に治癒し、すべての運動能力が回復するとは期待されていないことを強調しました。げっ歯類の試験結果に基づき、研究者らは髄鞘の修復と運動能力の向上が起こる可能性があると推測しました。この最初の試験は主にこれらの処置の安全性をテストするために設計されており、すべてがうまくいけば、より重度の障害を持つ人々を対象とした将来の研究につながることが期待されていました。[ 40 ]この試験は、いくつかの治療を受けたラットモデルで発見された少数の微小な嚢胞に関するFDAの懸念により2009年8月に一時停止されましたが、2010年7月30日に一時停止は解除されました。[ 41 ]

2010年10月、研究者らはアトランタのシェパードセンターで最初の患者にES細胞を登録し、投与した。[ 42 ] 幹細胞治療を開発するジェロン社は、幹細胞が複製され、 GRNOPC1療法の成否が評価されるまで には数ヶ月かかると見積もった。

2011年11月、ジェロン社は財政的な理由から臨床試験を中止し、幹細胞研究から撤退すると発表したが、既存の患者のモニタリングは継続し、研究を継続できるパートナーを探しているとした。[ 43 ] 2013年、CEOのマイケル・D・ウェスト博士率いるバイオタイム社はジェロン社の幹細胞資産をすべて買収し、脊髄損傷研究のためのジェロン社の胚性幹細胞ベースの臨床試験を再開する意向を明らかにした。[ 44 ]

バイオタイム傘下のアステリアス・バイオセラピューティクス（NYSE: AST）は、カリフォルニア再生医療研究所（CIRM）から1,430万ドルの戦略的パートナーシップ賞を受賞しました。この助成金は、脊髄損傷を対象とした世界初の胚性幹細胞を用いたヒト臨床試験を再開するためのものです。カリフォルニア州の公的資金の支援を受けているCIRMは、幹細胞関連の研究開発に対する世界最大の資金提供機関です。[ 45 ]

この助成金により、アステリアスは脊髄損傷患者を対象としたAST-OPC1の臨床開発を再開し、将来の重要な試験を目的とした対象集団において用量漸増の臨床試験を拡大するための資金を獲得した。[ 45 ]

AST-OPC1は、オリゴデンドロサイト前駆細胞（OPC）を含むヒト胚性幹細胞（hESC）由来の細胞集団です。OPCと、オリゴデンドロサイトと呼ばれるその成熟誘導体は、脊髄と脳の神経細胞に重要な機能的サポートを提供します。アステリアスは最近、神経学的に完全な胸部脊髄損傷の患者で低用量のAST-OPC1を試験する第1相臨床試験の結果を発表しました。結果は、AST-OPC1が損傷した脊髄部位にうまく送達されたことを示しました。AST-OPC1投与から2～3年後に患者を追跡調査したところ、頻繁な神経学的検査やMRIなどの詳細な追跡評価において、細胞に関連する重篤な有害事象の証拠は示されませんでした。移植後1年間の被験者の免疫モニタリングでは、AST-OPC1に対する抗体ベースまたは細胞性免疫応答の証拠は示されませんでした。 5名の被験者のうち4名において、2～3年間の追跡期間を通して実施された連続MRIスキャンの結果、脊髄空洞化の減少が認められ、AST-OPC1が脊髄組織の劣化を軽減する上で何らかの肯定的な効果を及ぼした可能性が示唆されました。試験に参加した5名の被験者において、国際脊髄損傷神経学的分類基準（ISNCSCI）検査による評価では、予期せぬ神経学的変性や改善は認められませんでした。[ 45 ]

CIRMからの戦略的パートナーシップIII助成金は、アステリアス社に、脊髄損傷患者を対象としたAST-OPC1の次期臨床試験を支援する資金と、後期試験および最終的には商業化を支援するための製造方法の改良と規模拡大のための製品開発努力を支援する資金を提供する。CIRMからの資金提供は、試験に対するFDAの承認、アステリアス社とCIRM間の正式契約の締結、およびアステリアス社が事前に定義された特定のプロジェクトマイルストーンの達成に向けて継続的に進歩することを条件とする。[ 45 ]

懸念と論争

副作用

治療として患者にES細胞を移植する可能性に関する主な懸念は、奇形腫を含む腫瘍を形成する可能性があることです。[ 46 ] 安全性の問題から、FDAは最初のES細胞の臨床試験を一時停止しましたが、腫瘍は観察されませんでした

ES細胞の安全性を高め、臨床応用の可能性を高めるための主な戦略は、腫瘍形成能を低下または消失させた特定の細胞種（例えば、ニューロン、筋細胞、肝細胞）にES細胞を分化させることです。分化後、細胞はフローサイトメトリーによる選別を経てさらに精製されます。ES細胞は、がんと関連するc-Mycなどの遺伝子改変を受けていないため、遺伝子組み換えウイルスベクターを用いて作製されたiPS細胞よりも本質的に安全であると予測されています。しかしながら、ES細胞はiPS誘導遺伝子を非常に高レベルで発現しており、Mycを含むこれらの遺伝子はES細胞の自己複製と多能性に必須です[ 47 ]。そのため、c-Mycの発現を排除することで安全性を向上させる潜在的な戦略は、細胞の「幹細胞性」を維持する可能性は低いと考えられます。しかしながら、N-mycとL-mycはc-mycの代わりに同等の効率でiPS細胞を誘導することが確認されています。[ 48 ]多能性誘導のためのその後のプロトコルは、センダイウイルスやmRNAトランスフェクションなどの非組み込みRNAウイルスベクターを使用することでこれらの問題を完全に回避します。

倫理的議論

胚性幹細胞研究の性質上、このテーマについては多くの議論の余地のある意見があります。胚性幹細胞を採取するには、通常、その細胞が得られた胚を破壊する必要があるため、胚の道徳的地位が問題となります。胚は人格を獲得するには幼すぎる、あるいは体外受精クリニック（通常は研究室が胚を入手する場所）から提供された胚は、いずれにせよ医療廃棄物になると主張する人もいます。ES細胞研究に反対する人々は、胚は人間の生命であるため、それを破壊することは殺人であり、胚はより発達した人間と同じ倫理観に基づいて保護されなければならないと主張しています。[ 49 ]

歴史

  • 1964年：ルイス・クラインスミスとG・バリー・ピアース・ジュニアは、現在では生殖細胞由来であることが知られている腫瘍である奇形癌から、単一タイプの細胞を単離した。[ 50 ]これらの細胞は、幹細胞として細胞培養で複製・増殖した奇形癌から単離され、現在では胎児性癌（EC）細胞として知られている。EC細胞は形態や分化能（多能性）が類似していることから、マウスの初期発生の試験管内モデルとして使用されることとなったが、 [ 51 ] EC細胞には、奇形癌の発生中に蓄積された遺伝子変異や異常核型がしばしば存在する。これらの遺伝子異常により、内部細胞塊から直接多能性細胞を培養できる必要性がさらに強調された。
マーティン・エヴァンス氏は、マウスの胚を子宮内で培養し、その胚から ES 細胞を誘導する新しい技術を明らかにした。
  • 1981年：2つのグループがそれぞれ独立してマウスの胚から胚性幹細胞（ES細胞）を初めて作製した。 ケンブリッジ大学遺伝学部のマーティン・エバンスとマシュー・カウフマンは7月に最初の論文を発表し、マウスの胚を子宮内で培養して細胞数を増やし、これらの胚からES細胞を作製できる新技術を明らかにした。[ 52 ]カリフォルニア大学サンフランシスコ校解剖学部のゲイル・R・マーティンは12月に論文を発表し、「胚性幹細胞」という用語を作った。[ 53 ]彼女は胚を体外で培養でき、これらの胚からES細胞を作製できることを示した。
  • 1989年：マリオ・R・カペッキ、マーティン・J・エバンス、オリバー・スミシーズが、胚性幹細胞の分離と遺伝子改変の詳細を記した研究を発表し、初の「ノックアウトマウス」を作成した。[ 54 ]ノックアウトマウスの作成により、この論文は科学者に病気を研究する全く新しい方法を提供した。
  • 羊のドリーの細胞分化
    1996年：ドリーは、エディンバラ大学ロスリン研究所によって成体細胞からクローン化された最初の哺乳類となった。[ 55 ]この実験は、特殊化した成体細胞が特定のタスクを実行するための遺伝子構成を獲得するという仮説を確立し、さまざまなクローン技術におけるさらなる研究の基礎を確立した。ドリーの実験は、ヒツジ（ドリー）から哺乳類の乳房細胞を採取し、これらの細胞を分裂が完了するまで分化させることによって行われた。次に、別のヒツジ宿主から卵細胞を採取し、核を除去した。乳房細胞を卵細胞の隣に置き、電気で接続してDNAを共有させた。この卵細胞は胚に分化し、その胚を3匹目のヒツジに移植してクローン版のドリーを出産した。[ 56 ]
  • 1998年：ウィスコンシン大学マディソン校の研究チーム（ジェームズ・A・トムソン、ジョセフ・イツコヴィッツ＝エルドール、サンダー・S・シャピロ、ミシェル・A・ワクニッツ、ジェニファー・J・スウィアギエル、ヴィヴィアン・S・マーシャル、ジェフリー・M・ジョーンズ）が、「ヒト胚盤胞由来の胚性幹細胞株」と題した論文を発表しました。この研究に参加した研究者たちは、初めて胚性幹細胞を作製しただけでなく、その多能性と自己複製能力も明らかにしました。論文の要旨では、発生生物学と創薬分野におけるこの発見の重要性が指摘されています。[ 57 ]
  • 2001年：ジョージ・W・ブッシュ大統領は、当時既に存在していた約60種の胚性幹細胞（ES細胞）系統の研究を支援するための連邦資金拠出を承認した。ブッシュ大統領が研究を許可した限られた系統は既に確立されていたため、この法律は、連邦予算による新たな系統の創出で生じる可能性のある倫理的問題を一切提起することなく、ES細胞研究を支援した。 [ 58 ]
  • 2006年：日本の科学者、山中伸弥氏と高橋一俊氏が、成体マウス線維芽細胞の培養から多能性幹細胞を誘導したという論文を発表しました。人工多能性幹細胞（iPSC）は、一見すると胚性幹細胞と同一であり、同様の倫理的論争を巻き起こすことなく使用できるため、大きな発見でした。[ 59 ]
  • 2009年1月：米国食品医薬品局（FDA）は、ジェロン社によるヒト胚性幹細胞由来脊髄損傷治療の第I相臨床試験を承認した。この発表は科学界から大きな反響を呼んだが、幹細胞反対派からは警戒感も示された。しかし、治療に使用された細胞は、ジョージ・W・ブッシュ大統領のESC政策に基づいて承認された細胞株から得られたものであった。[ 60 ]
  • 2009年3月：バラク・オバマ大統領が大統領令13505号に署名し、前大統領政権下でヒト幹細胞研究への連邦資金提供に課されていた制限が撤廃された。これにより、国立衛生研究所（NIH）はヒトES細胞研究への資金提供が可能になった。また、この文書には、NIHは大統領令の署名後120日以内に連邦資金提供ガイドラインの改訂版を提出しなければならないと規定されている。[ 61 ]

派生と培養のための技術と条件

ヒト由来

体外受精では複数の胚が生成されます。余剰胚は臨床的に使用されない、または患者への移植に適さないため、ドナーの同意を得て提供することができます。ヒト胚性幹細胞は、これらの提供された胚から得ることができます。さらに、患者の細胞と提供された卵子を用いて体細胞核移植のプロセスを経て作成されたクローン胚からも抽出することができます。[ 62 ]胚の胚盤胞段階からの内部細胞塊（目的の細胞）は、胚体外組織に分化する細胞である栄養外胚葉から分離されます。分離を達成するために、抗体を栄養外胚葉に結合させ、別の溶液で除去するプロセスである免疫手術と機械的解剖が行われます。得られた内部細胞塊細胞は、支持を供給する細胞の上に播種されます内部細胞塊細胞は接着し、さらに増殖して未分化のヒト胚細胞株を形成する。これらの細胞は毎日栄養を与えられ、4～7日ごとに酵素的または機械的に分離される。分化を起こさせるには、ヒト胚性幹細胞株を支持細胞から分離して胚様体を形成するか、必要なシグナルを含む血清と共培養するか、あるいは三次元スキャフォールドに移植して胚様体を形成する。[ 63 ]

他の動物からの派生

胚性幹細胞は、ドナーである母動物から採取された 初期胚の内部細胞塊から得られる。マーティン・エバンスとマシュー・カウフマンは、胚の着床を遅らせ、内部細胞塊を増加させる技術を報告した。このプロセスには、ドナーである母動物の卵巣摘出とプロゲステロン投与が含まれる。これによりホルモン環境が変化し、胚が子宮内で遊離した状態となる。この子宮内培養の4～6日後、胚を採取し、内部細胞塊が「卵管状構造」を形成するまで体外培養で培養する。この構造は単一細胞に分離され、マイトマイシンC （線維芽細胞の有糸分裂を阻害するため）で処理した線維芽細胞上に播種される。クローン細胞株は単一細胞を培養することで作製される。エヴァンスとカウフマンは、これらの培養から増殖した細胞が奇形腫や胚様体を形成し、体外で分化できることを示し、これらすべてが細胞が多能性を持つことを示唆した。[ 52 ]

ゲイル・マーティンはES細胞を異なる方法で誘導し、培養した。彼女は交尾後約76時間でドナーの母親から胚を摘出し、血清を含む培地で一晩培養した。翌日、彼女は顕微手術を用いて後期胚盤胞から内部細胞塊を摘出した。摘出した内部細胞塊は、マイトマイシンCで処理した線維芽細胞と血清を含む培地でES細胞を馴化させて培養した。約1週間後、細胞のコロニーが成長した。これらの細胞は培養下で増殖し、奇形腫を形成し、体外で分化し、胚様体を形成する能力によって示されるように、多能性特性を示した。マーティンはこれらの細胞をES細胞と呼んだ。[ 53 ]

ES細胞の分化を阻害するために必要な白血病抑制因子（LIF）はフィーダー細胞から、骨形成タンパク質（BMP）は血清から供給されることが現在では分かっています。 [ 64 ] [ 65 ]これらの因子はES細胞の誘導効率にとって極めて重要です。さらに、マウスの系統によってES細胞の分離効率が異なることが実証されています。[ 66 ]マウスES細胞の現在の用途には、ノックアウトマウスを含むトランスジェニックマウスの作製が含まれます。ヒトの治療には、患者固有の多能性細胞が必要です。ヒトES細胞の作製はより困難であり、倫理的な問題に直面しています。そのため、ヒトES細胞の研究に加えて、多くのグループが人工多能性幹細胞（iPS細胞）の作製に注力しています。[ 67 ]

新しい細胞株の誘導のための潜在的な方法

2006年8月23日、科学誌「ネイチャー」のオンライン版に、マサチューセッツ州ウースターのアドバンスト・セル・テクノロジーの医療ディレクターであるロバート・ランザ博士の論文が掲載され、同博士のチームが胚を破壊することなく胚性幹細胞を抽出する方法を発見したと発表された。[ 68 ]この技術的成果により、当時連邦政府の資金提供は2001年8月以前に得られた胚性幹細胞株を用いた研究に限定されていた米国において、科学者が公的資金を用いて得られた新しい胚性幹細胞株を研究できるようになる可能性があった。2009年3月、この制限は解除された。[ 69 ]

ヒト胚性幹細胞は、体細胞核移植（SCNT）によっても作製されている。[ 70 ] [ 71 ]この方法は、体細胞核移植が体細胞から除核した接合子に核を移植するという点で他のクローン技術と類似しているため、「治療的クローニング」と呼ばれることもある。しかし、この場合、SCNTは妊娠を通じて生体を作製するのではなく、研究室で胚性幹細胞株を作製するために用いられた。名称に「治療的」という部分が含まれているのは、SCNTによって作製された胚性幹細胞が臨床的に有用であるという期待があるためである。

人工多能性幹細胞

iPS細胞技術は、京都の山中伸弥研究室によって開発され、2006年に転写因子をコードする4つの特定の遺伝子を導入することで成体細胞を多能性幹細胞に変換できることを示しました。[ 72 ]彼は、成熟細胞を再プログラムして多能性細胞にすることができるという発見により、ジョン・ガードン卿とともに2012年のノーベル賞を受賞しました。 [ 73 ]

2007年には、分化細胞に4つの因子（ Oct3/4、Sox2、c-Myc、Klf4）を送達することで、胚性幹細胞に非常に類似した多能性幹細胞を誘導できることが示されました。 [ 74 ]前述の4つの遺伝子を利用することで、分化細胞は多能性幹細胞に「再プログラム」され、胚なしで多能性/胚性幹細胞を生成することができます。これらの実験室で誘導された多能性細胞の形態と成長因子は胚性幹細胞と同等であるため、これらの細胞は誘導多能性幹細胞（iPS細胞）として知られています。[ 75 ]この観察は当初マウスの多能性幹細胞で観察されましたが、現在では同じ4つの遺伝子を用いてヒトの成人線維芽細胞でも行うことができます。 [ 76 ]

胚性幹細胞に関する倫理的な懸念は、通常、中絶された胚から派生したものであるため、これらの iPS 細胞への再プログラム化はそれほど議論の余地がないと考えられる。

これにより、細胞補充療法に利用可能な患者特異的なES細胞株の樹立が可能になる可能性があります。さらに、様々な遺伝性疾患の患者からES細胞株を樹立することも可能になり、これらの疾患の研究に貴重なモデルを提供することになります。

しかし、iPS細胞技術が次々と新しい治療法を生み出す可能性があることを示す最初の兆候として、マサチューセッツ州ケンブリッジにあるホワイトヘッド生物医学研究所のルドルフ・イェーニッシュ率いる研究チームが、マウスの鎌状赤血球貧血の治療にiPS細胞技術を使用したことが、2007年12月6日のサイエンス誌オンライン版で報告された。 [ 77 ] [ 78 ]

2008年1月16日、カリフォルニアに拠点を置くステマジェン社は、成人から採取した単一の皮膚細胞から、世界初の成熟クローンヒト胚を作製したと発表しました。これらの胚は、患者に適合する胚性幹細胞（ES細胞）の採取に用いることができます。[ 79 ]

細胞培養に使用される試薬による汚染

ネイチャー・メディシンのオンライン版は2005年1月24日、連邦政府の資金援助による研究に利用可能なヒト胚性幹細胞が、細胞を培養するために使用される培養培地中の非ヒト分子に汚染されているという研究結果を掲載した。[ 80 ]活発に分裂する幹細胞の多能性を維持するために、マウス細胞などの動物細胞を使用するのは一般的な手法である。カリフォルニア大学サンディエゴ校の科学者によると、この問題は、培養培地中の非ヒトシアリン酸が、ヒトにおける胚性幹細胞の潜在的な利用を阻害することが判明したことで発覚した。[ 81 ]

しかし、2005年3月8日にランセット・メディカル・ジャーナルのオンライン版に掲載された研究では、細胞および血清を完全に除去した条件下でヒト胚から得られた新たな幹細胞株に関する詳細な情報が得られました。6ヶ月以上の未分化増殖後、これらの細胞は体外培養および奇形腫培養の両方で、胚の3つの胚葉すべてから分化体を形成する能力を示しました。これらの特性は、樹立された幹細胞株においても（30継代以上）維持されました。[ 82 ]

ミューズ細胞

Muse 細胞 (多系統分化ストレス耐久細胞) は成人に見られる非癌性の多能性幹細胞である。 [ 83 ] [ 84 ]これらは 2010 年に Mari Dezawa とその研究グループによって発見された。[ 83 ] Muse 細胞は臍帯、骨髄、末梢血を含むほぼすべての臓器の結合組織に存在している。[ 85 ] [ 83 ] [ 86 ] [ 87 ] [ 88 ]これらはヒト線維芽細胞、骨髄間葉系幹細胞、脂肪由来幹細胞などの市販の間葉系細胞から採取できる。 [ 89 ] [ 90 ] [ 91 ] Muse 細胞は自発的にもサイトカイン誘導下でも単一の細胞から 3 つの胚葉すべてを代表する細胞を生成することができる。多能性遺伝子の発現と三分芽球への分化は、世代を超えて自己再生可能である。Muse細胞は、生体内で宿主環境に移植されても奇形腫を形成せず、無制限の細胞増殖によって腫瘍形成のリスクを排除する。[ 83 ]

参照

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