テキサス大学サウスウエスタン校（UTSW）の研究チームは、哺乳類の受精卵が初期に発生してできる胚盤胞に似た生物学的構造を生成した。研究チームは、研究のために提供された胚から得られたヒト胚性幹細胞と、成人の細胞から生成されたヒト誘導多能性幹細胞（総称してヒト多能性幹細胞と呼ぶ）を用いて、この研究を行った。この研究成果は、2021年3月17日にNature誌のオンライン版に掲載され、ヒトの初期発生、妊娠損失、および発達障害の研究に新たな方法を提供する可能性がある。
このNature誌の論文は「ヒト多能性幹細胞から生成された胚盤胞様構造体(Blastocyst-like structures generated from human pluripotent stem cell)」と題されている。
UTSW大学分子生物学助教授のJun Wu 博士 は、「胚盤胞に似た形態をしているが、胚盤胞のような構造物は胎児にまで成長することはない」と述べている。「胚盤胞の発生に関する体外の生物学的モデルを持つことは、ヒトの胚に頼らずにヒトの発生を理解するためのギャップを埋めるために非常に重要だ」とWu博士は語った。ヒトの多能性幹細胞（発生の初期段階にある細胞）は、体のさまざまな組織のほとんどすべてになる可能性を秘めている。しかし、この細胞が胚盤胞（受胎後約5日目に形成され、子宮壁に着床する中空のボール状の初期胚）に成長するために、どのような分子シグナルが重要なのかは分かっていなかった。胚盤胞の研究には、これまで不妊治療で廃棄・提供された胚が用いられてきたが、これは倫理的に問題のある希少な資源だ。胚盤胞には、エピブラスト、ハイポブラスト、トロフォブラストという3種類の主な細胞が含まれている。エピブラストは胚性幹細胞の代表格であり、さまざまな成熟組織を形成するとWu博士は説明する。そのため、研究者らは長い間、エピブラストの細胞株を研究用に維持してきた。最近の研究では、エピブラストに適切な遺伝子の組み合わせを活性化する化学物質を作用させることで、エピブラストが胚芽細胞や栄養細胞に成長することが分ってきた。
これらの知見をもとに、Wu博士は、UTSWの産科・婦人科およびLyda Hillバイオインフォマティクス学部の助教授であるGary Hon博士らとともに、同様の手法を用いて、エピブラスト細胞が3種類の胚盤胞細胞すべてを含む胚盤胞様構造体全体を形成するよう促した。研究者らは、細胞培養皿に入れたヒト胚性幹細胞を、まず、胚芽細胞への成長を促すことがわかっているTGF-β、FGF、WNTの分子経路を活性化する化学物質で処理し、次に、これらの経路を遮断する化学物質で処理して、栄養芽細胞への成長を促した。いくつかの実験では、これらの化学物質を投与する順番を変えてみた。いずれの場合も、胚性幹細胞は、ヒトの胚盤胞によく似た空洞を持つ構造体を形成した。Wu博士らは、同様の方法を、胚性幹細胞に似た性質を持つように再プログラムされた成人の細胞である人工多能性幹細胞で試したところ、同様の結果が得られたという。
分析の結果、ヒトブラストイドと呼ばれるこれらの構造物は、ヒト胚盤胞の物理的特徴と一致しており、形、大きさ、細胞数が同じであることが分った。系統マーカータンパク質の調査では、栄養芽細胞、胚芽細胞、上胚葉細胞が、自然の胚盤胞と同じ場所にあることが分った。また、本研究室で行ったグローバルな遺伝子発現のテストでは、胚芽で活性化または抑制された遺伝子が、同じ発達段階のヒト胚の遺伝子とほぼ一致していることが分った。
ヒトの胚盤胞と同じように、ブラストロイドの各細胞から幹細胞を取り出すことができたのである。Wu博士らは、この芽球体を、やや遅れて生後10日目くらいまで追跡したところ、羊膜腔や卵黄嚢を形成し、ヒト絨毛性ゴナドトロピンを分泌するようになった。これは、ヒトの胚も同様の特徴を持つ。
研究チームは、この芽球体がヒトの発生に関連する研究に利用できることを証明するために、この構造体を、胚盤胞腔の形成に重要と考えられているプロテインキナーゼC（PKC）の異なるアイソザイムを阻害する化学物質で処理した。案の定、PKCのδ、ζ、ηの各アイソザイムを阻害した胚盤胞は、特徴的な空洞を形成しなかった。
Wu博士によると、今回の発見は、これらの構造体が、ヒトの初期発生を阻害する環境またはその他の化学物質をよりよく理解するための良いモデルになることを示唆している。また、胚の遺伝子活動や、着床に影響を与える要因を解明するのにも使えるかもしれない。芽球体から発生後期の構造体を作製する効率は低いが、今後の研究でこのプロセスを改良し、より強固な構造体を作製できるようになるだろうと、同氏は付け加えている。
"現在、ヒトの発生段階の多くはブラックボックスになっている」とWu博士は語る。"ブラストイドは、ヒト胚盤胞の仕組みをよりよく理解するための無限のリソースとなるだろう」とWu博士は述べている。
本研究には、UTSWのLeqian Yu、Yulei Wei、Jialei Duan、Daniel A. Schmitz、Masahiro Sakurai、Lei Wang、および中国・昆明医科大学付属病院のKunhua Wang、Shuhua Zhaoも参加した。
BioQuick News:New Structure That Mimics Blastocysts Could Aid Research into Early Human Development, UTSW Researchers Say in Nature Article
