幹細胞と再生形成医療

今日、従来の伝統医療や代替医療では治癒不可能だった重篤疾患の治療における新たな方向性の発展を知らない医師はほとんどいません。幹細胞の再生能力を活用した再生医療です。この発展途上の方向性をめぐっては、前例のないほどの科学的議論と疑似科学的な誇大宣伝が巻き起こっています。これは主にワールドワイドウェブの情報誇張によって生み出されたものです。幹細胞の治療能力に関する実験室研究は、ごく短期間で実験の域を超え、実臨床医療に積極的に導入され始めました。その結果、科学的、倫理的、宗教的、法的、そして立法的な問題が数多く生じています。国や公的機関は、幹細胞がペトリ皿から静脈内投与システムへと急速に移行していく状況に明らかに備えができておらず、これは社会全体にとっても、苦しむ特定の個人にとっても有益ではありません。幹細胞の能力に関する量的にも質的にも想像を絶する量の情報を理解することは、再生医療に直接関わっていない医師は言うまでもなく、専門家（誰もが新しい科学の動向を自力で習得しようとしているため、専門家は存在しない）にとっても容易なことではありません。

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なぜこのような実験が必要なのでしょうか？そもそも必要なのでしょうか？

一見すると、細胞異種キメラの創出は、生命倫理を忘れた狂信的な科学者の抑えきれない空想の産物のように思えます。しかし、このアプローチこそが、器官形成（肝臓、脳、皮膚、免疫系器官の形成）に必要な細胞数を計算することを可能にしたため、胚発生に関する基礎知識を飛躍的に拡大させました。さらに（おそらくこれがES細胞生物学における最も重要な点でしょう）、遺伝学者は、胚のキメラ化過程における遺伝子の機能的目的を確立できる独自のツールを手に入れました。まず、特殊なダブルノックアウト技術を用いて、ES細胞内の研究対象の遺伝子ペアを「オフ」にします。次に、このES細胞を胚盤胞に導入し、発育中のキメラ胚の体内で起こる変化を観察します。このようにして、sf-1（副腎および生殖器官の発達）、urt-l（腎臓原基）、muoD（骨格筋の発達）、gata-l-4（赤血球およびリンパ球造血の原基）といった遺伝子の機能が確立されました。さらに、これまで研究されていなかったヒト遺伝子を実験動物のES細胞に導入（トランスフェクション）し、キメラ胚を用いてその機能を調べることも可能です。

しかし、一般的に、新たな基礎知識の獲得によって実験を正当化することは、幅広い支持を得ることができません。ES細胞を用いたキメラ化の応用的意義の例を挙げてみましょう。まず、これは異種移植、つまり動物の臓器をヒトに移植することです。理論的には、ヒト-ブタ細胞キメラを作成することで、ES細胞ドナーに抗原特性がはるかに近い動物を得ることができ、様々な臨床状況（糖尿病、肝硬変）において病人の命を救うことができます。確かに、そのためにはまず、成熟した体細胞のゲノムに全能性の特性を回復させる方法を学び、その後、発育中のブタの胚に導入する必要があります。

現在、特殊な培養条件下でほぼ無限に分裂するES細胞の能力は、全能性細胞塊の作製に利用され、その後、ドーパミン作動性ニューロンなどの特殊細胞へと分化させ、パーキンソン病患者に移植されています。この場合、移植に先立って、得られた細胞塊を治療に必要な特殊細胞へと分化させ、未分化細胞成分から精製する必要があります。

後に判明したように、発がん性の脅威は細胞移植の唯一の障害ではありませんでした。胚様体内のES細胞は、自発的に異質的に分化します。つまり、多種多様な細胞株（ニューロン、ケラチノサイト、線維芽細胞、内皮細胞）の分化型を形成します。この場合、顕微鏡の視野には、様々な表現型の細胞の中で、それぞれ独自のリズムで収縮する心筋細胞が際立っています。しかし、患者を治療するには、純粋な細胞集団が必要です。脳卒中の場合はニューロン、心筋梗塞の場合は心筋細胞、糖尿病の場合は膵臓のβ細胞、火傷の場合はケラチノサイトなどです。

細胞移植学の発展における次の段階は、そのような純粋な細胞集団を十分な数（数百万細胞）得るための技術の開発でした。ES細胞の分化誘導因子の探索は、胚発生中の合成順序が不明であったため、本質的に経験的なものでした。最初に、cAMPとレチノイン酸をES細胞培養物に添加することで卵黄嚢の形成が誘導されることが確立されました。造血細胞株は、培養液中に1L-3、SCF、線維芽細胞増殖因子（FGH）、インスリン様増殖因子（IGF-1）、1L-6、顆粒球コロニー刺激因子（G-СSF）が存在する状態で形成されました。神経系細胞は、LIFとフィーダーとして機能する線維芽細胞層を除去した後にES細胞から形成されました。胎児血清存在下でレチノイン酸処理を行った後、ES細胞はニューロンへの分化を開始し、ジメチルスルホキシド（DMSO）を添加することで心筋細胞が得られた。DMSOは疎水性シグナル分子を細胞核へ標的送達する。この場合、培養液中の活性酸素種の蓄積と電気刺激が、成熟した収縮性心筋細胞の形成に寄与した。

ES細胞（ES細胞）を膵臓のインスリン産生細胞に分化させるための条件を見つけるために、多大な努力と資源が費やされました。しかし、間もなく、「1つの刺激因子に1つの細胞株」という原則に従って刺激しても、ES細胞から多くの特殊細胞株（膵β細胞、免疫細胞および内分泌細胞、脂肪細胞）が生成しないことが明らかになりました。この原則は、限られた数の細胞株にのみ有効であることが判明しました。特に、ニューロンの形成はレチノイン酸、筋細胞株は形質転換成長因子β（TCP-β）、赤血球系細胞株は1L-6、単球性骨髄系細胞株は1L-3によって誘導されます。さらに、これらの因子がES細胞の分化に及ぼす影響は、厳密に用量依存的であることが判明しました。

ES細胞を中胚葉（心筋細胞、骨格筋、尿細管上皮、骨髄赤血球、平滑筋細胞の源）、外胚葉（表皮、ニューロン、網膜）、内胚葉（小腸上皮と分泌腺、肺胞上皮）の形成を伴う胚発生の後期段階に進める成長因子の組み合わせを探す段階が始まりました。自然は研究者たちに胚発生の道に沿って前進することを強い、ペトリ皿でその段階を繰り返すように仕向け、望ましい結果をすぐに簡単に得る機会を与えないようにしました。そして、そのような成長因子の組み合わせが見つかりました。アクチビンAとTGF-βの組み合わせは、ES細胞から中胚葉細胞の形成を強力に刺激し、内胚葉と外胚葉の発達を阻害することが判明しました。レチノイン酸と骨髄形成タンパク質（BMP-4）および上皮成長因子（EGF）シグナルの組み合わせは、外胚葉および中胚葉細胞の形成を活性化し、内胚葉の発達を阻害します。ES細胞に対する2つの因子、肝細胞増殖因子（HGF）と神経細胞増殖因子の同時作用により、3つの胚葉すべてにおいて活発な細胞増殖が観察されます。

したがって、必要な細胞株を得るためには、まず胚性幹細胞を胚葉の細胞形成段階まで移植し、次に外胚葉、中胚葉、内胚葉を患者への移植に必要な特殊細胞へと分化誘導できる新たな成長因子の組み合わせを選択する必要があります。現在、成長因子の組み合わせは数千種類に上り、そのほとんどは特許取得済みですが、バイオテクノロジー企業によって全く開示されていないものもあります。

得られた細胞を未分化細胞夾雑物から精製する段階が来ました。培養で分化した細胞は成熟細胞株のマーカーで標識され、高速レーザー免疫表現型選別装置を通過させられました。レーザービームは細胞の流れの中で細胞を検出し、別の経路へと誘導しました。得られた精製細胞材料は、実験動物に最初に投与されました。ES細胞由来の細胞を疾患および病態モデルに用いることの有効性を評価する段階が来ました。そのようなモデルの一つが実験的パーキンソン病であり、ドーパミンニューロンを破壊する化合物を用いることで動物において良好な再現性が得られました。ヒトにおけるこの疾患はドーパミンニューロンの後天的欠損に基づくため、この場合の細胞補充療法の使用は病因学的に正当化されました。実験的片側パーキンソン病の動物では、ES細胞から採取され脳構造に導入されたドーパミンニューロンの約半分が定着しました。これは、疾患の臨床症状を大幅に軽減するのに十分でした。実験的な脳卒中、外傷、さらには脊髄断裂によって損傷した中枢神経系の構造の機能を回復する試みは、かなり成功していることが証明されています。

しかし、分化ES細胞誘導体を実験病理の修正に成功裏に使用したほぼすべての症例は、模擬病理状況の急性期に行われたことに注意する必要があります。遠隔治療の結果はそれほど喜ばしいものではありませんでした。8～16か月後、細胞移植のプラス効果は消失するか、大幅に減少しました。その理由は非常に明確です。移植された細胞の体外または病的状態における分化は、必然的に遺伝的異質性の細胞マーカーの発現につながり、それがレシピエントの体からの免疫攻撃を引き起こします。免疫不適合性の問題を解決するために、従来の免疫抑制が使用され、それと並行して臨床試験で、免疫衝突を引き起こさない自己造血幹細胞および間葉系幹細胞の分化転換および遺伝子修正の可能性が認識され始めました。

再生医療とは何ですか？

進化の過程で、細胞の寿命の終わりには主に二つの選択肢、すなわち壊死とアポトーシスが決定づけられており、これらは組織レベルでは増殖と再生のプロセスに対応します。増殖は一種の犠牲と捉えることができ、損傷した組織の欠損部が結合組織要素に置き換えられることで補填されます。構造的完全性は維持されますが、体は影響を受けた臓器の機能を部分的に失います。その結果、損傷を受けていない構造的・機能的要素の肥大または過形成を伴う代償反応が進行します。代償期間の長さは、一次的および二次的変化の要因によって引き起こされる構造的損傷の量に依存し、その後、ほとんどの場合、代償不全が起こり、生活の質が急激に低下し、寿命が短くなります。生理的再生は、リモデリングプロセス、すなわち、自然な細胞死（アポトーシス）のメカニズムによって老化細胞と死にゆく細胞が、人体の幹細胞の蓄えから生じる新しい細胞に置き換えられることを確実にします。修復的再生のプロセスには幹空間の細胞資源も関与しますが、疾患や組織の損傷に関連する病的な状況下ではこれらの細胞資源が動員され、壊死のメカニズムによって細胞死が開始されます。

科学者、医師、報道機関、テレビ局、そして一般大衆が、胚性幹細胞（ESC）の生物学的研究という課題に強い関心を寄せているのは、まず第一に、細胞療法、いわゆる再生・可塑性療法の高い可能性によるものです。最も重篤なヒト疾患（中枢神経系の変性疾患、脊髄および脳損傷、アルツハイマー病およびパーキンソン病、多発性硬化症、心筋梗塞、動脈性高血圧、糖尿病、自己免疫疾患および白血病、火傷、腫瘍性プロセスなど、そのリストは網羅的ではありません）の治療法の開発は、幹細胞の独自の特性に基づいています。幹細胞は、以前は考えられていたように、病変のある生物の不可逆的に損傷した組織領域を置き換えるための新しい組織の作成を可能にします。

過去10年間の幹細胞生物学の理論研究の進歩は、再生医療という新たな分野が自然発生的に出現したことで実現しました。これらの方法論は体系化が容易であるだけでなく、体系化を必要とします。幹細胞の再生能力を実用化する最初の、そして最も急速に発展した分野は、再生医療の代替療法です。その軌跡は、心筋壊死を起こした動物実験から、心筋梗塞後の心筋細胞欠損の回復、あるいは膵臓β細胞や中枢神経系のドーパミン作動性ニューロンの喪失の補充を目的とした近年の研究に至るまで、科学文献から容易に辿ることができます。

細胞移植

代替的再生医療の基盤は細胞移植です。細胞移植は、患者の体が自己、同種、同種、または異種由来の生細胞と短期または長期にわたって直接接触する一連の医療行為として定義されます。細胞移植の手段は、移植単位数で標準化された幹細胞またはその誘導体の懸濁液です。移植単位とは、培養物中のコロニー形成単位数と移植細胞の総数の比率です。細胞移植の方法：幹細胞またはその誘導体の懸濁液の静脈内、腹腔内、皮下投与、または脳室、リンパ管、または脳脊髄液への幹細胞またはその誘導体の懸濁液の投与。

同種細胞移植と自家細胞移植は、幹細胞の多能性、多重能、あるいは多能性（多分化能）を生体内または生体外で実現するための、根本的に異なる2つの方法論的アプローチを採用しています。前者の場合、幹細胞は予備分化を行わずに患者の体内に導入されますが、後者の場合、培養による増殖、標的分化、そして未分化要素からの精製を行った後に導入されます。細胞補充療法の数多くの方法論的技術の中には、骨髄細胞と血液細胞の補充、臓器と軟部組織の細胞の補充、そして体の硬質および固形要素（軟骨、骨、腱、心臓弁、容量性血管）の補充という3つのグループが明確に区別されます。後者の方向は、幹細胞の分化能が、体の置換部位の形状に似た、生物学的に不活性または吸収性の構造体であるマトリックス上で実現されるため、再建および再生医療として定義されるべきです。

損傷組織における再生・可塑性プロセスの強度を高めるもう一つの方法は、顆粒球刺激因子や顆粒球マクロファージコロニー刺激因子といった外因性成長因子を用いて、患者自身の幹細胞資源を動員することです。この場合、間質性結合の破壊により、血流中への造血幹細胞の放出が増加し、これらの細胞は組織損傷部位において、その固有の可塑性により再生プロセスを促進します。

したがって、再生医療の方法は、患者自身の幹細胞の動員、または同種細胞材料の導入によって、失われた機能の回復プロセスを刺激することを目的としています。

胚性幹細胞の発見による重要な実用的成果の一つは、胚発生のきっかけを解明することに基づいた治療的クローン作製です。胚発生開始の最初のシグナルが卵母細胞質に存在するプレmRNA複合体であるとすれば、任意の体細胞の核を除核卵子に導入することで、胚発生プログラムが開始されるはずです。現在、胚発生プログラムの実行には約15,000個の遺伝子が関与していることが分かっています。では、出生後、成長、成熟、そして老化の過程で、これらの遺伝子はどうなるのでしょうか？この疑問への答えは、羊のドリーによって示されました。遺伝子は保存されるのです。最新の研究手法を用いて、成体細胞の核は、胚性幹細胞、胚葉、器官形成、そして間葉系、外胚葉系、内胚葉系、中胚葉系由来の細胞株の限定成熟（分化および分化への出口）に必要なすべてのコードを保持していることが証明されています。治療目的のクローニングは、細胞移植学の発展の初期段階から既に形成されており、患者自身の体細胞の全能性を回復させ、遺伝的に同一の移植材料を得ることを目的としています。

幹細胞の発見は「終わりから」始まりました。A.マクシモフによって生物学と医学に導入されたこの用語は、末梢血のすべての成熟細胞成分を生み出す骨髄幹細胞を指していたからです。しかし、成体生物のすべての組織の細胞と同様に、造血幹細胞にも、分化度の低い独自の前駆細胞が存在します。すべての体細胞の共通の起源は胚性幹細胞です。「胚性幹細胞」と「胚性幹細胞」という概念は全く同じではないことに注意する必要があります。胚性幹細胞は、J.トムソンによって胚盤胞の内部細胞塊から単離され、長寿命細胞株へと移植されました。これらの細胞だけが「ES細胞」の類似性を持っています。マウスの実験で胚性幹細胞を発見したリロイ・スティーブンスは、ES細胞が三胚葉（外胚葉、中胚葉、内胚葉）の全ての分化細胞に分化できる能力を持つことから、これを「胚性多能性幹細胞」と名付けました。しかし、胚の発生後期段階にあるすべての細胞も幹細胞です。なぜなら、それらは成体の体を形成する膨大な数の細胞を生み出すからです。私たちはこれらを定義するために、「胚性多能性前駆細胞」という用語を提案します。

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幹細胞の種類

現代の幹細胞の分類は、細胞株を生じる能力（分化能）による分類の原則に基づいており、全能性、多能性、多重、多能性、双能性、単能性と定義されます。全能性、すなわち遺伝的にプログラムされた生物全体を再生する能力は、接合子細胞、割球、および胚性幹細胞（胚盤胞の内部塊の細胞）が有します。胚発生の後期に形成される全能性細胞のもう1つのグループは、胚性生殖帯（生殖結節）の一次胚細胞によって代表されます。多能性、すなわちあらゆる器官または組織の細胞に分化する能力は、外胚葉、中胚葉、内胚葉の3つの胚葉の胚細胞に固有のものです。多能性、すなわち一つの特殊化した細胞系内であらゆる細胞を形成できる能力は、神経堤で形成され、神経膠細胞を含む体内の結合組織基底部のすべての細胞の前駆細胞である、いわゆる間葉系幹細胞と、すべての血液細胞系を生み出す造血幹細胞の2種類の細胞にのみ見られると考えられています。さらに、二能性幹細胞と単能性幹細胞、特に骨髄系、リンパ系、単球系、巨核球系の造血芽球の前駆細胞が区別されます。単能性幹細胞の存在は、肝細胞の例を用いて明確に証明されています。肝組織の重要な部分の損失は、分化した倍数体肝細胞の集中的な分裂によって補われます。

発生過程において、すべての臓器と組織は胚盤胞の内部細胞塊の増殖と分化の結果として形成されます。これらの細胞は、厳密には全能性胚性幹細胞です。胚性幹細胞の分離に関する最初の研究はエヴァンスによって行われ、マウスの脳に移植された胚盤胞から奇形癌が発生し、その細胞をクローン化すると多能性胚性幹細胞（これらの細胞の本来の名称である胚性癌細胞、または略語ECСは現在使用されていません）の株が形成されることが示されました。これらのデータは、マウスなどの動物種、そしてヒトの胚盤胞細胞を培養して胚性幹細胞を得た他の多くの研究で確認されました。

近年、幹細胞の可塑性に関する文献報告が増加しています。これは、幹細胞が発生の様々な段階で異なる種類の細胞に分化する能力だけでなく、脱分化（分化転換、逆分化）も行う能力として捉えられています。つまり、体細胞分化細胞を胚発生段階まで戻し、多能性を再現（回帰）させ、異なる種類の細胞の形成を伴う分化を繰り返すという根本的な可能性が認められているということです。特に、造血幹細胞は肝細胞、心筋芽細胞、内皮細胞の形成を伴う分化転換が可能であることが報告されています。

幹細胞をその可塑性に応じて分類することに関する科学的議論は継続しており、細胞移植の専門用語と用語集が形成中である。これは、再生医療のほとんどの方法が可塑性特性と幹細胞のさまざまな細胞株への分化能力の利用に基づいているため、直接的な実際的意義を持つ。

再生・可塑性医療の基礎および応用分野における論文数は急速に増加しています。幹細胞の再生・可塑性ポテンシャルを最大限に活用するための様々な方法論的アプローチが既に提示されています。心臓専門医、内分泌専門医、神経専門医、脳神経外科医、移植専門医、血液専門医は、それぞれが喫緊の関心領域を特定しています。眼科医、結核専門医、呼吸器専門医、腎臓専門医、腫瘍専門医、遺伝専門医、小児科医、消化器専門医、セラピスト、小児科医、外科医、産婦人科医は、幹細胞の可塑性に関する喫緊の課題の解決策を模索しています。現代医学を代表するすべての専門家は、かつては致命的と考えられていた疾患を治癒する機会を待ち望んでいます。

細胞移植は次の「万能薬」となるのか？

この疑問は、医学の現状を分析する思慮深い医師や科学者なら誰もが当然抱くものです。この状況を複雑にしているのは、科学的対立の一方には「健全な保守派」が、もう一方には細胞移植学の「病的な狂信者」がいるという事実です。言うまでもなく、真実はいつものように両者の間、「無人地帯」にあります。法律、倫理、宗教、道徳といった問題には触れずに、再生医療という特定の分野の長所と短所について考えてみましょう。ES細胞の治療可能性に関する最初の科学報告は「そよ風」でしたが、発見から1年後には「暴風」へと変わり、2003年には「情報の竜巻」へと渦巻きました。最初の一連の論文は、胚性幹細胞の培養、その複製、そして体外における誘導分化に関するものでした。

培養中の胚性幹細胞を無制限に増殖させるには、いくつかの条件を厳密に遵守する必要があることが判明しました。馴化培地には、インターロイキン-6（IL-6）、幹細胞因子（SCF）、およびロイカーゼ阻害因子（LIF）の3つの因子が存在している必要があります。さらに、胚性幹細胞は、胚性線維芽細胞の基質（細胞のフィーダー層）上で、ウシ胎児血清の存在下で増殖させる必要があります。これらの条件が満たされると、培養中のES細胞はクローンとして成長し、胚様体（球状細胞の懸濁クローンの集合体）を形成します。ES細胞クローンの最も重要な特徴は、培養において、集合体に50～60個、最大100個の細胞が蓄積すると胚様体の成長が停止することです。この期間中、平衡状態が発生し、クローン内部の細胞分裂速度はその周囲のアポトーシス（プログラム細胞死）の速度と等しくなります。このような動的平衡状態に達した後、胚様体の周辺細胞は自発的に分化（通常は卵黄嚢の内胚葉断片、血管芽細胞、内皮細胞の形成を伴う）し、全能性は失われます。したがって、十分な全能性細胞塊を得るためには、胚様体を毎週分解し、個々の胚性幹細胞を新しい栄養培地に移植する必要があります。これは、かなり労働集約的なプロセスです。

胚性幹細胞の発見は、接合子DNAに暗号化された胚発生プログラムを何がどのようにして正確に起動するのかという疑問に答えるには至りませんでした。ゲノムプログラムがヒトの生涯を通じてどのように展開されるのかは依然として不明です。同時に、胚性幹細胞の研究は、幹細胞が分裂する際にその全能性、多能性、そして多分化能を維持するメカニズムの概念を発展させることを可能にしました。幹細胞の主な特徴は、自己複製能力です。これは、幹細胞が分化細胞とは異なり、非対称に分裂することを意味します。娘細胞の1つが特殊な細胞株を生じ、もう1つがゲノムの全能性、多能性、または多分化能を保持します。胚発生の最も初期の段階、つまり分裂中の胚盤胞の内部細胞塊が完全に全能性を持ち、ES細胞ゲノムが休眠状態（抑制された状態）にある段階で、なぜ、どのようにこのプロセスが発生するのかは依然として不明でした。通常の細胞分裂では、複製のプロセスの前に遺伝子複合体全体の活性化と発現が必ず起こりますが、ES細胞の分裂ではこれは起こりません。「なぜ」という疑問への答えは、ES細胞に既に存在するmRNA（プレmRNA）の発見によって得られました。その一部は濾胞細胞で形成され、卵子と接合子の細胞質に蓄えられています。2つ目の発見は「どのように」という疑問への答えです。ES細胞には「エディターゼ」と呼ばれる特殊な酵素が見つかっています。エディターゼは3つの重要な機能を果たします。まず、ゲノムを介さずにプレmRNAの代替的なエピジェネティックな読み取りと複製を行います。次に、プレmRNAの活性化（スプライシング、つまりmRNA上でのタンパク質合成プロセスを阻害するRNAの不活性部分であるイントロンの除去）プロセスを実行し、その後、細胞内でタンパク質分子の組み立てが始まります。第三に、編集酵素は遺伝子発現機構の抑制因子である二次mRNAの形成を促進し、クロマチンの高密度パッキングと遺伝子の不活性状態を維持します。このような二次mRNA上で合成され、サイレンサータンパク質またはゲノムガーディアンと呼ばれるタンパク質産物は、ヒト卵細胞に存在します。

これが、今日では胚性幹細胞の不死化細胞株の形成メカニズムとして説明されている。簡単に言えば、胚発生プログラム（その初期段階は全能性細胞塊の形成から構成される）を開始するためのシグナルは、卵子の細胞質から来る。この段階で胚盤胞の内部細胞塊、すなわちES細胞が他の制御シグナルから隔離されていれば、細胞の自己複製プロセスは、細胞核の遺伝子の関与なしに（エピジェネティックに）閉鎖サイクルで進行する。このような細胞に栄養物質が供給され、細胞塊の分化を促進する外部シグナルから隔離されていれば、その細胞は分裂し、自身の種を無限に増殖する。

全能性細胞を移植に利用する実験的試みの最初の結果は非常に印象的でした。免疫抑制剤によって免疫系が弱体化したマウスの組織に胚性幹細胞を導入すると、100%の症例で腫瘍が発生しました。ES細胞を起源とする腫瘍細胞の中には、全能性外因性細胞材料、特にニューロンの分化誘導体が含まれていましたが、奇形癌の増殖により、得られた結果の価値はゼロにまで低下しました。同時に、L.スティーブンスの研究では、腹腔内に導入されたES細胞が大きな凝集体を形成し、その中で胚の筋肉、心臓、毛髪、皮膚、骨、筋肉、神経組織が断片的に形成されていました。（類皮嚢胞を切開した外科医なら、この図をよくご存知でしょう。）興味深いことに、懸濁培養されたマウス胚芽細胞も全く同じ挙動を示します。免疫不全状態の成体動物の組織に導入すると、必ず奇形癌が形成されます。しかし、このような腫瘍から純粋なES細胞株を分離し、腹腔内に導入すると、発癌の兆候を示さずに、3つの胚葉すべてに分化した体細胞由来細胞が形成されます。

したがって、次に解決すべき課題は、未分化細胞の不純物から細胞材料を精製することでした。しかしながら、標的細胞を非常に高い効率で分化誘導したとしても、培養細胞の最大20%は全能性を保持しており、残念ながら生体内では腫瘍の増殖という形でその全能性が発揮されます。もう一つの自然の「パチンコ」は、医療リスクの尺度において、患者の回復の保証と死の保証が釣り合うということです。

腫瘍細胞と、ES細胞よりも発達が進んでいる胚性多能性前駆細胞（EPPC）との関係は、非常に曖昧です。私たちの研究結果では、ラットの様々な移植腫瘍にEPPCを導入すると、腫瘍組織の崩壊（G）、腫瘍質量の急速な増加（D）、腫瘍質量の減少（E-3）、あるいは腫瘍組織の自然発生的な中心巣状壊死の大きさに影響を与えないこと（I、K）が示されました。EPPCと腫瘍細胞の相互作用の結果は、生体内でそれらが産生するサイトカインと成長因子の総量によって決定されることは明らかです。

注目すべきは、成体組織との接触により発癌反応を示す胚性幹細胞が、胚の細胞塊と完全に同化し、胚のあらゆる器官と一体化することである。胚自身の細胞とドナーES細胞からなるこのようなキメラは、実際には表現型キメラではないものの、アロフェン動物と呼ばれる。ES細胞を初期胚に導入すると、造血系、皮膚、神経組織、肝臓、小腸の細胞が最大限にキメラ化する。生殖器のキメラ化の事例も報告されている。ES細胞にとって唯一不可侵な領域は、一次生殖細胞である。

つまり、胚は親の遺伝情報を保持し、属と種の両方の純粋性と継続を保護します。

シトクラジンを用いて初期胚の細胞分裂を阻害した状態で、胚盤胞に胚性幹細胞を導入すると、他の胚と同様に一次生殖細胞がドナー胚性幹細胞から形成された胚が発生します。しかし、この場合、胚自体は完全にドナー由来であり、代理母の体とは遺伝的に異質です。自己の遺伝情報と異質な遺伝情報が混ざり合う可能性をこのように自然に遮断するメカニズムは未だ解明されていません。この場合、アポトーシスプログラムが発現していると考えられますが、その決定要因はまだ解明されていません。

異なる種の動物の胚発生は決して協調的に行われないことに留意すべきである。異種胚性幹細胞を用いたドナー胚器官形成プログラムを実施した場合、受容体胚は子宮内で死滅し、吸収される。したがって、「ラット-マウス」、「ブタ-ウシ」、「ヒト-ラット」といったキメラの存在は、形態学的モザイクではなく、細胞的モザイクとして理解されるべきである。言い換えれば、ある哺乳類種のES細胞を別の種の胚盤胞に導入すると、母種の子孫が必ず発生し、その子孫のほぼ全ての臓器の細胞の中に封入体が見られ、時にはES細胞由来の遺伝的に異質な物質からなる構造的・機能的単位のクラスターが見られる。「ヒト化ブタ」という用語は、人間の知性や外見的特徴を備えたある種の怪物を指すものとして捉えるべきではない。これは単なる動物であり、その体細胞の一部は豚の胚盤胞に導入されたヒト ES 細胞に由来しています。

幹細胞利用の展望

造血系およびリンパ系細胞の遺伝子病理学的関連疾患は、同種骨髄移植後にしばしば消失することが古くから知られています。患者自身の造血組織を血縁ドナーからの遺伝的に正常な細胞と置き換えることで、患者は部分的な回復、場合によっては完全な回復が得られます。同種骨髄移植で治療される遺伝性疾患としては、複合免疫不全症候群、X連鎖性無ガンマグロブリン血症、慢性肉芽腫症、ヴィスコット・アルドリッチ症候群、ゴーシェ病およびハーラー病、副腎白質ジストロフィー、異染性白質ジストロフィー、鎌状赤血球貧血、サラセミア、ファンコニ貧血、エイズなどが挙げられます。これらの疾患の治療に同種骨髄移植を使用する際の主な問題は、HbA 適合性の血縁ドナーの選択に関連しており、その検索を成功させるには、平均 100,000 個の型別ドナー造血組織サンプルが必要です。

遺伝子治療は、患者の造血幹細胞における遺伝子欠陥を直接修正することを可能にします。理論的には、遺伝子治療は造血系の遺伝性疾患の治療において、同種骨髄移植と同様の利点を、免疫学的合併症の可能性を一切伴わずに提供します。しかし、そのためには、完全な遺伝子を造血幹細胞に効果的に導入し、必要な発現レベルを維持できる技術が必要です。特定の種類の遺伝性病態では、この発現レベルはそれほど高くない場合があります。このような場合、欠損遺伝子のタンパク質産物をわずかに補充するだけで、良好な臨床効果が得られます。特に血友病Bでは、血液凝固の内部メカニズムを回復させるには、正常レベルの10～20%で十分です。自己細胞材料の遺伝子改変は、実験的片側パーキンソン病（ドーパミン神経細胞の片側破壊）において有効であることが証明されています。チロシン水酸化酵素遺伝子を含むレトロウイルスベクターをラット胎児線維芽細胞に導入すると、中枢神経系でのドーパミンの合成が保証され、導入された線維芽細胞の脳内投与により、実験動物におけるパーキンソン病の実験モデルの臨床症状の強度が著しく軽減されました。

幹細胞をヒト疾患の遺伝子治療に利用するという展望は、臨床医や実験者にとって多くの新たな課題を提起しています。遺伝子治療における問題点は、標的細胞への遺伝子輸送のための安全かつ効果的なシステムの開発に関係しています。現在、大型哺乳類細胞への遺伝子輸送効率は非常に低く（1%）、この問題は体系的に様々な方法で解決されています。in vitro遺伝子輸送では、培養された患者の細胞に遺伝物質を導入し、その後、患者の体内に戻します。このアプローチは、骨髄幹細胞に導入された遺伝子を用いる場合に最適であると認識されるべきです。なぜなら、造血細胞を体内から培養細胞へ、そして再び体内へ移す方法が確立されているからです。in vitroにおける造血細胞への遺伝子輸送には、レトロウイルスが最もよく用いられます。しかし、造血幹細胞の大部分は休眠状態にあるため、レトロウイルスを用いた遺伝情報の輸送は複雑になり、休眠状態の幹細胞への効果的な遺伝子輸送のための新たな方法の探索が求められています。現在、遺伝子導入法としては、トランスフェクション、細胞へのDNA直接注入、リポフェクション、エレクトロポレーション、「遺伝子銃」、ガラスビーズを用いた機械的結合、アシアロ糖タンパク質への受容体依存性DNA結合による肝細胞へのトランスフェクション、そして肺胞上皮細胞への導入遺伝子のエアロゾル導入などが用いられています。これらの方法によるDNA導入の効率は10.0～0.01%です。つまり、遺伝情報の導入方法によっては、100人中10人、あるいは1万人中1人しか成功しない可能性があります。治療用遺伝子を効果的かつ安全に導入する方法は、未だ開発されていないことは明らかです。

細胞移植学における同種細胞拒絶反応の問題に対する根本的に異なる解決策は、成体生物の抗原恒常性制御システムの再構築効果（クハルチュク・ラトチェンコ・シルマン効果）を得るために、胚性多能性前駆細胞を高用量投与することです。この効果の本質は、抗原恒常性制御システムの再プログラミングと同時に、免疫担当細胞の新たな基盤を構築することで免疫寛容を誘導することにあります。EPPCを高用量投与すると、これらの細胞は胸腺と骨髄の組織に固定されます。胸腺では、EPPCは特定の微小環境の影響を受けて、樹状細胞、指状細胞、上皮間質細胞へと分化します。レシピエントの胸腺における EPPC の分化の過程で、レシピエント自身の主要組織適合遺伝子複合体 (MHC) 分子とともに、ドナー細胞で遺伝的に決定されている MHC 分子が発現されます。つまり、MHC 分子の二重基準が確立され、それに基づいて T リンパ球の正の選択と負の選択が実現されます。

したがって、レシピエントの免疫システムのエフェクターリンクの更新は、Tリンパ球の正の選択と負の選択という既知のメカニズムを通じて行われますが、MHC分子の二重基準、つまりレシピエントとドナーのEPPCを通じて行われます。

EPPCを用いた免疫システムのリプログラミングは、その後の長期にわたる免疫抑制剤の使用なしに細胞移植を可能にするだけでなく、自己免疫疾患の治療における全く新しい展望を切り開き、ヒトの老化プロセスに関する新たな概念の発展への足掛かりとなります。老化のメカニズムを理解するために、私たちは体幹スペース枯渇理論を提唱しました。この理論の主要な前提によれば、老化とは体幹スペースの大きさの永続的な減少であり、体幹スペースは局所（「成体」）幹細胞（間葉系幹細胞、神経幹細胞、造血幹細胞、皮膚、消化管、内分泌上皮細胞の前駆細胞、毛様体襞の色素細胞など）のプールとして理解され、体組織のリモデリング過程において対応する組織の細胞損失を補充します。体組織のリモデリングとは、多細胞生物の生涯を通じて継続する、体幹スペース細胞によるあらゆる組織および臓器の細胞構成の更新です。幹腔内の細胞数は遺伝的に決定され、それが各幹腔の限界サイズ（増殖能）を決定します。そして、幹腔のサイズは個々の臓器、組織、そして身体系の老化速度を決定します。幹腔内の細胞貯蔵量が枯渇した後、多細胞生物の老化の強度と速度は、ヘイフリック限界内での体細胞分化細胞の老化メカニズムによって決定されます。

したがって、出生後の個体発生段階において、幹細胞スペースの拡張は寿命を大幅に延長させるだけでなく、体のリモデリング能力を回復させることで生活の質を向上させることも可能です。幹細胞スペースの拡張は、同種異系胚性多能性前駆細胞を大量に導入することで達成でき、同時に受容体の免疫系が再プログラムされることが条件となります。これにより、実験において老齢マウスの寿命が大幅に延長しました。

幹細胞スペース枯渇理論は、老化のメカニズムだけでなく、疾患そのもの、そして薬物療法による治療結果に関する既存の概念をも変える可能性があります。特に、幹細胞スペース細胞の病理（腫瘍病理）の結果として、この疾患が発症する可能性があります。間葉系幹細胞の枯渇は、結合組織のリモデリングプロセスを阻害し、老化の外部兆候（しわ、皮膚のたるみ、セルライト）の出現につながります。幹細胞スペースの内皮細胞の枯渇は、高血圧症やアテローム性動脈硬化症の発症を引き起こします。胸腺幹細胞スペースは当初小さかったため、加齢に伴う恒久的な退縮が早期に起こります。早期老化は、体全体の幹細胞スペースのサイズが初期に病的に減少した結果です。幹細胞スペースを薬物および非薬物で刺激することで、幹細胞スペースのサイズが縮小し、寿命が短縮し、生活の質が向上します。現代の老化防止剤の効率が低いのは、体の幹のスペースではなく、老化した分化した体細胞に対する保護効果によるものです。

最後に、再生可塑性医療は、幹細胞の再生可塑性ポテンシャルを活用したヒト疾患治療における新たな方向性であることを改めて強調しておきたいと思います。ここでいう可塑性とは、外因性または内因性の幹細胞を移植し、病変部位の損傷組織に新たな特殊細胞を分化させる能力を指します。再生可塑性医療の対象は、現在不治の致命的なヒト疾患、遺伝性疾患、従来の医学的手法では対症療法しか得られない疾患、そして身体の解剖学的欠陥であり、これらの欠陥の修復が再建可塑性再生外科の目標となっています。私たちの見解では、幹細胞から機能的に完全な臓器を完全かつ完全に再生しようとする最初の試みを、実用医学の独立した領域とみなすのは時期尚早です。再生可塑性医療の対象は幹細胞であり、その供給源によって再生可塑性ポテンシャルは異なります。再生医療の方法論は、幹細胞またはその派生物の移植に基づいています。