一滴の雨は海の中では検出不可能です。塩水の入った桶の中でも見つけられないでしょう。しかし、非常に精密なセンサーを備えた一つの容器で全海水を掬い取れば、突如としてその一滴の雨を特定できるようになります。脳内の希少な細胞種を追跡することも同様に難しい課題でした。しかし、そうした希少細胞の一部に変化があれば、アルツハイマー病をはじめとする様々な疾患に関連している可能性があります。そうした希少細胞を見つけて研究できれば、脳の解析や疾患介入において新たな地平が開けるかもしれません。
2023年11月30日付けのNature Geneticsに掲載された論文で述べられているように、ロックフェラー大学の遺伝学者ジュンユー・カオ博士とその同僚らが、マウス脳全体を一度に走査してこれらの秘密の細胞を見つける、低コストでハイスループットな手法を開発しました。150万個の細胞を捉え、さらに多くの細胞を取り込むことができるこのデジタルの「桶」です。
オープンアクセスの論文タイトルは「A Global View of Aging and Alzheimer's Pathogenesis-Associated Cell Population Dynamics and Molecular Signatures in Human and Mouse Brains」（加齢およびアルツハイマー病の病態発生に関連する細胞集団の動態および分子シグネチャーに関する人間およびマウス脳の全体像）です。
EasySciと呼ばれるこの一種のシングルセル解析法は、システムに取り込まれた全ての細胞のアイデンティティを同時に明らかにすることができます。研究チームはEasySciを用いて、マウスとヒトの脳における年齢、そしてアルツハイマー病に特異的な細胞集団とダイナミクスを明らかにしました。これまで見たことのない細胞サブタイプも存在していました。
「EasySciの重要な特徴は、特定の脳領域に焦点を当てるのではなく、百万を超える細胞一つ一つを走査して、脳全体の包括的な視点を得ることができ、さまざまな細胞種の詳細な変化を特定できる点にあります」と、ロックフェラー大学のシングルセルゲノミクスと集団ダイナミクス研究室長であるカオ博士は言います。「この手法を使って、老化とアルツハイマー病の理解を深めることができます」
EasySciは、100万個のシングルセル転写体のコストを1万ドルから700ドルに削減し、所要時間も約1日に短縮できます。
貴重な資源
神経疾患の理解には、ヒト脳組織へのアクセスが不可欠です。しかし、それは貴重で有限な資源であるため、脳組織の分析のほとんどは、脳の特定の領域からの小さな切片を対象としています。一方で、ヒト脳は3,000種類を超える細胞から成る驚くべき複雑なネットワークです。その分子のすべてを見渡せれば、希少ではあるものの大きな影響を及ぼす可能性のある隠れた細胞が明らかになるかもしれません。
シングルセル解析の手法の進歩により、希少細胞を見つけ、細胞ダイナミクスを探ることが次第に可能になってきました。ヒト脳全体をシングルセル解析で走査することはまだできませんが、マウス脳はこの技術の可能性を試す良いモデルとなります。
今回の研究では、カオ研究室のアンドラス・シラキ、ジーユー・ルー、ジャスパー・リーが中心となり、組み合わせインデックス付け法を用いてこれらの細胞とそのダイナミクスの解明に取り組みました。この手法では、異なる分子に IDタグを付け、すべての分子に一意のバーコードを付与します。そうすることで、さまざまな細胞種を特定して数を数えられるのです。
最も一般的なものから最も希少なものへ
研究チームは6種類の脳を研究しました。若齢期、成熟期、高齢期のマウス脳、アルツハイマー病を模倣した神経変性を示すマウス脳、そして正常なヒト脳と認知症のあるヒト脳の組織です。ヒトサンプルは、記憶と学習に関連する海馬と、言語と音の処理に関わる側頭葉にある上側頭回および中側頭回から採取されました。
150万個を超える細胞を走査し、研究チームはマウス脳で31種類の細胞と359のサブタイプを同定しました。そのうち3分の1近くのサブタイプが、これまで報告されていませんでした。例えば、ある脳領域の星状のアストロサイト細胞が、別の領域のアストロサイトとは異なることが分かりました。同じ領域内でさえ、いくつかのサブタイプには違いがありました。
最も一般的な細胞は小脳顆粒細胞ニューロン(32.5%)で、中枢神経系からエン小脳皮質へ情報を伝達します。最も希少だったのは下オリーブ核ニューロン(0.05%)で、脳幹に位置し体の動きに関するデータを処理します。
「たった100個でさえ1,000個の細胞しか走査していなければ、これらの希少な細胞種を決して見つけられなかったでしょう」とカオ博士は言います。「百万個の細胞を走査する必要がありました」
同定された希少な細胞種のもう一つが松果体細胞で、体内時計に関連するホルモンメラトニンを分泌する松果体の細胞です。百万個の細胞のうち、この松果体細胞はわずか21個しかありませんでした。
研究チームはまた、若いマウスの嗅球には、発達初期段階で2倍以上に増える特別なニューロンとアストロサイトのグループが満ちていることを確認しました。これは、高度に発達した嗅覚に頼って環境を探索する動物にとって驚くべきことではありません。また、「嗅球のニューロンには、同じ場所に異なる機能を持つ多くのサブタイプがある」ことが分かりました。
アルツハイマー病の脳
明確な細胞とその変化が、マウスとヒトのアルツハイマー病の脳に見られました。脳脊髄液を分泌し、血液脳関門の重要な構造的要素である脈絡叢上皮細胞の希少なサブタイプが、アルツハイマー病の脳では2倍の割合で失われていました。これらの細胞は、神経変性から保護する mitochondrial 遺伝子と脳脊髄液中のタウタンパク質に関連しています。
研究チームはまた、20種類の細胞サブタイプに新たな変化を記録しました。これらの一部は、これまで変化が見られたことのない脳領域でした。カオ博士は「多くのアルツハイマー研究者が、一般的な症状に関連する大脳皮質や海馬に焦点を当てていますが、私たちがマウスとヒトのアルツハイマー病脳の両方で示したように、変化が見られるのは他の多くの領域なのです」と述べています。
さらに博士は、従来の手法では細胞内の疾患の分子マーカーを2、3つしか同定できませんが、EasySciなら数千のマーカーを同定できる可能性があると付け加えます。「そしてそうした『バグ』を特定できれば、それを修正する方法を探ることができるのです」
他の器官への応用
今後、カオ博士とその研究チームは、EasySciを使って混合組織を走査する予定です。「この手法で、単一の実験内で多様な患者から得た複数の脳を走査できます」と博士は指摘しています。最近のNature誌の論文で述べられているように、すでに101匹の変異マウス胚において160万個の細胞核を同時に走査するというアプローチをテストしています。
今後の研究で、同チームはマウスの全ての主要な内部器官を一度に走査した結果を公開する予定です。マウス脳にもさらなる注目が必要です。現在の研究では、その総細胞集団の約2%しかカバーされていません。総細胞数は約1億個に達すると見積もられています。この技術をヒト脳(驚異的な1,700億個の細胞)に適用することは、より複雑な課題となり、新たな技術の開発が必要になります。
しかし、カオ博士はEasySciのスループット能力を高めることに重点を置くことで、この手法が間もなく一度に数千万個の細胞を走査できるようになると楽観視しています。「脳細胞から全身の細胞に至るまで、あらゆる細胞を走査できるよう、この手法をさらに洗練させたいのです。これにより、老化とアルツハイマー病に関連する細胞変化の理解に不可欠な洞察が得られるかもしれません」
画像：脳細胞の種類の図解 (Credit: Jun Cao)
