アルツハイマー病やパーキンソン病といった、脳の病気はなぜ起こるのでしょうか？その謎を解く鍵の一つが、私たちの脳の中に存在する「ミクログリア」という特殊な免疫細胞です。この細胞は、脳のお掃除屋さんとして、有害物質や不要な細胞を取り除き、脳の健康を守っています。しかし、このミクログリアの働きが悪くなると、脳に深刻なダメージを与えてしまいます。これまで研究のためにヒトのミクログリアを手に入れるのは非常に困難でしたが、もし、この重要な細胞を実験室で、しかもわずか数日で大量に作れるとしたらどうでしょう？ハーバード大学の研究チームが、まさにそんな夢のような技術を開発し、脳研究と治療法開発に新たな扉を開きました。
脳の免疫細胞「ミクログリア」を迅速に作製する新技術
ミクログリアは、脳と脊髄に存在する全細胞の約10%を占める特殊な免疫細胞です。その役割は、感染性の微生物、死んだ細胞、凝集したタンパク質、そして脳に危険を及ぼす可能性のある可溶性抗原を除去することにあります。また、発達期には神経回路の形成を助け、特定の脳機能を実現するためにも働きます。ミクログリアが正常に機能しないと、神経炎症を引き起こし、損傷した細胞や、アルツハイマー病で見られる神経原線維変化やアミロイド斑といった有害なタンパク質の塊を除去できなくなります。これは、アルツハイマー病、パーキンソン病、ハンチントン病のほか、筋萎縮性側索硬化症、多発性硬化症など、数多くの神経変性疾患の一因となります。実際、神経炎症はタンパク質が病原性のある凝集体を形成し始める前から発生し、タンパク質の凝集をさらに加速させることさえあります。
脳内のミクログリアの機能をより深く理解し、標的とすることを目指す研究者や創薬開発者にとって、ヒトのミクログリアは生検でしか入手できず、また、げっ歯類のミクログリアは多くの重要な特徴においてヒトのものと異なるという事実に直面しています。この供給問題が、科学者たちを幹細胞を出発点として培養皿の中でミクログリアを作製する方法の開発へと駆り立てました。しかし、現在までのところ、このプロセスは非効率的で、完了までに数週間と多大なコストを要していました。
そして今、ハーバード大学ヴィース研究所およびハーバード大学医学大学院の、ヴィース研究所創設コアファカルティメンバーであるジョージ・チャーチ博士（George Church, Ph.D.）が率いる研究チームが、人工多能性幹細胞からヒトのミクログリアと機能的に非常に類似した細胞をわずか4日間で作製する解決策を考案しました。これは、従来の分化プロセスで同様の細胞を得るのにかかる35日間と比較して、劇的な短縮です。彼らの新しいアプローチは、「TFomeTM」として知られる以前に開発された技術に基づいています。この技術は、他の方法よりも効率的に、培養皿内での複数の細胞分化プロセスを駆動させることができます。TFomeTM技術では、遺伝子発現プログラム全体を統括する「転写因子」と呼ばれる重要な司令塔タンパク質をiPS細胞で発現させ、分化した機能的な細胞タイプへの運命を決定づけます。
今回の新しい研究で、チームはミクログリアに特化したTFsのライブラリを設計し、iPS細胞をミクログリア様細胞に変換する能力について、異なるTFsの組み合わせを反復的にスクリーニングしました。得られた個々の細胞を調査するため、彼らはシングルセルRNAシーケンシング技術を用いて、その遺伝子発現が実際のミクログリアにどれほど類似しているかを判断しました。このプロセスを通じて、彼らはミクログリア様細胞の超高速生産を可能にする、6種類のTFsからなる強力なカクテルを特定しました。この研究成果は、2025年6月10日付の「Nature Communications」に、「Iterative Transcription Factor Screening Enables Rapid Generation of Microglia-Like Cells from Human iPSC（反criptive Transcription Factor Screening Enables Rapid Generation of Microglia-Like Cells from Human iPSC（反復的な転写因子スクリーニングによるヒトiPS細胞からのミクログリア様細胞の迅速な作製）」というタイトルのオープンアクセス論文として掲載されました。
「私たちはここで、合成生物学のパラダイムの中で、転写因子ライブラリをプラットフォーム技術として前進させました。シングルセルRNAデータ駆動型分析と反復的な最適化を統合することで、切望されていたヒトのミクログリア細胞を培養皿の中で作製することに成功したのです」とチャーチ博士は語ります。「この細胞分化アプローチは、脳疾患に焦点を当てた研究や新しい治療法の展望に多くの道を開くことができます。同様に重要なこととして、複雑な転写シナリオを必要とする他の入手困難で治療上重要な細胞タイプの作製にも応用可能です」。チャーチ博士は、HMSの遺伝学教授であり、ハーバード大学とマサチューセッツ工科大学（MIT）の健康科学技術教授も兼任しています。
オルガノイド研究から始まった挑戦
2021年、共著者であるアレックス・ン博士（Alex Ng, PhD）とパラストゥー・コシャクラ博士（Parastoo Khoshakhlagh, PhD）は、TFomeTMプラットフォーム技術の重要な一部である1,732種類のヒトTFsとその変異体の包括的なライブラリを作成し、次世代の細胞治療の製造加速に利用できる可能性のある特定の細胞タイプを生成する能力を持つ個々のTFsを特定しました。ン博士とコシャクラ博士は、チャーチ博士および元HMS研究員のコリー・スミス博士（Cory Smith, PhD）と共に、スタートアップ企業GC Therapeuticsを設立し、次世代の細胞治療製品を創出するための細胞工学技術のさらなる商業化を進めています。今回の新しい研究では、チャーチ博士のチームがTFomeTMプラットフォームの有用性をさらに発展させました。
ヴィース研究所とHMSにおけるチャーチ博士のグループでミクログリアへの関心が最初に高まったのは、脳の機能的・組織的特徴を再現した実験室培養の微小組織、いわゆる脳オルガノイドに関する初期の研究がきっかけでした。「特定の脳疾患を持つ患者の特徴を持つヒト脳オルガノイドを開発する取り組みの中で、私たちはTFomeTM技術を用いてiPS細胞由来の神経細胞、オリゴデンドロサイト、間質細胞、血管細胞を含む組織構造を作製できましたが、研究で神経炎症の側面を捉えるためには、ミクログリアを組み込む必要がありました」と、共同責任著者であり、チャーチ博士が率いるヴィース研究所の合成生物学プラットフォームのディレクターであるジェニー・タム博士（Jenny Tam, PhD）は述べます。チャーチ博士とタム博士は、共著者のカタリナ・メイヤー博士（Katharina Meyer, PhD）らと共に、双極性障害などの精神疾患に対する創薬プラットフォーム「CircaVent」で脳オルガノイドとTFomeTM技術を活用しています。「しかし、私たちはミクログリアの生成にはおそらくTFsの複雑な組み合わせが必要だろうと分かっていました」とタム博士は言います。
「TFomeTMプロセスを用いてヒトのミクログリア細胞をin vitroで作製するために、私たちはライブラリ全体をスクリーニングする必要はなく、これまでの膨大な発生・疾患研究に基づいて、賢明な選択から始めることができると気づきました」と、筆頭著者であり、当時はチャーチ博士の研究室の大学院生であったソングレイ・リウ博士（Songlei Liu, PhD）は語ります。「そこで、私たちは一次ヒトミクログリアに典型的な遺伝子発現プロファイルを持つ40種類のTFsのコレクションを考案し、個々のiPS細胞でそのうち5〜7種類のランダムな組み合わせを発現させる戦略を立てました」。リウ博士は、チャーチ博士のグループにおけるミクログリアプロジェクトの推進力となり、現在はnChroma Bio社でプラットフォーム技術の科学者として活躍しています。
どのTFsの組み合わせが最も効果的にミクログリアの分化を誘導するかを決定するため、研究者たちはブリガム・アンド・ウィメンズ病院の医学教授であり、HMSの生物医学情報学教授でもある共同責任著者のソウミャ・ライチャウドゥリ医学博士（Soumya Raychaudhuri, MD, PhD）と協力しました。ライチャウドゥリ博士は、彼の元ポスドク研究員であるファン・チャン博士（Fan Zhang, PhD）およびチャーチ博士の研究室のポスドク研究員であるリー・リー博士（Li Li, PhD）と共に、統計的および計算的手法を適用しました。これによりチームは、培養開始後わずか数日で得られた数千個の単一細胞のscRNA-seqデータから、ミクログリア様の遺伝子発現変化を読み取り、対応するTFsの組み合わせをランク付けすることができました。現在コロラド大学の助教であるチャン博士とリー博士は、本論文の共同筆頭著者です。この最初のスクリーニングの結果、3種類のTFs（SPI1、CEBPA、FLI1）が、iPS細胞内でミクログリア特異的な分化プログラムを始動させることが分かりました。
次なる一手：プラットフォーム上での反復的最適化
得られた細胞は、望ましいミクログリア様の転写および形態的変化を示したものの、チームはまだ実際の一次ヒトミクログリアの機能的成熟度には達していないことに気づきました。「私たちは、この『設計-スクリーニング-検証』サイクルを反復的に繰り返すことで、つまり、連続するラウンドで新しいTFsを追加することで、結果を改善し、より優れたTFsの組み合わせにつながる可能性があると考えました」とリウ博士は言います。
3種類のTFカクテルを投与された分化中のiPS細胞において、一次ヒトミクログリアと比較してまだ発現レベルが低い追加のTFsを探し、様々な計算予測を通じて、研究者たちは42種類の追加TFsからなる第2のセットをまとめました。彼らのscRNA-seqと計算分析により、その中からさらに3種類（MEF2C、CEBPB、IRF8）が特定され、これらを加えた6種類のTFカクテルがミクログリアの分化をさらに促進させることが示されました。
リウ博士とチームは、得られた細胞が、実際のミクログリアのように、脳の感染症や神経変性疾患に典型的な刺激によって活性化されるかどうかをテストしました。その結果、感染性病原体の存在下で増加するサイトカインであるインターフェロンガンマが、分化した細胞においてミクログリア特異的な遺伝子発現パターンを誘導することを発見しました。また、ALS患者で凝集体を形成するいわゆるTDP-43タンパク質も、ヒトのミクログリア様の遺伝子発現変化を引き起こしました。「この概念実証研究を基に、私たちは追加のTFsを特定し、個々のTFsの発現強度や4日間のタイムスケールでの出現順序をさらに微調整する方法を開発することで、特定のミクログリアのアイデンティティをさらに磨き上げ、脳内で専門的な機能を持つミクログリアのサブタイプさえも作製できると信じています」とリウ博士は述べました。
本研究には、マリアナ・ガルシア＝コラル、パトリック・フォーチュナ、ビョルン・ヴァン・サンビーク、エヴァン・アップルトン、ユアンチェン・ライアン・ルー、ジェームズ・キャメロン、リカルド・ラミレス、ユーティン・チェン、チュンティン・ウー、ジェレミー・フアン、ユーチー・タン、ジョージ・チャオ、ジョン・アーチ、そしてエレイン・リムも著者として名を連ねています。
画像：ミクログリア細胞
