幹細胞の発生経路はその形状に依存する

幹細胞を望ましい発達経路に沿って導くには、適切なホルモンやその他の生化学的シグナルを供給する必要はまったくなく、単に幹細胞を望ましい組織の細胞の形に強制するだけで十分です。

幹細胞が特定の種類の細胞に分化するのはなぜでしょうか？例えば、骨幹細胞はどのようにして軟骨細胞ではなく骨細胞になる必要があると認識するのでしょうか？これらの疑問は、基礎科学と応用科学の両方において非常に重要です。再生医療では、病変組織を幹細胞由来の健康な組織に置き換えるため、医師は幹細胞が目的の組織に分化することを確信しなければなりません。

このような細胞は化学シグナルに従うことが知られています。ホルモンは幹細胞に特定の成熟組織を分化させるよう指示することができます。一方、細胞分化は細胞培養が生存し増殖する表面の種類に依存するという証拠があります。細胞と基質との接触がその運命を決定します。米国国立標準技術研究所の研究者たちは、幹細胞の形質転換は、その細胞がどのような形態をとらなければならなかったかによって決まると示唆しています。

幹細胞から組織を成長させるには、医師は一時的なポリマーインプラントを使用します。このインプラントは基質、つまり三次元の土台として機能します。この骨格インプラントは、細胞を空間的に配置して成長を誘導します。実験では、研究者たちは空間構造が異なる数種類のインプラントに骨組織の幹細胞を移植しました。この場合、細胞は成長の経路を「指示」する可能性のあるホルモンやその他の物質を一切添加せずに成長しました。その結果、5例中1例のみで幹細胞がカルシウムを蓄積し始めました。これは、幹細胞が成熟した骨細胞へと変化した証拠です。この基質にうまく付着するためには、細胞は伸びて長い突起を形成し、成熟した骨細胞の形をとる必要がありました。

したがって、著者らがBiomaterials誌に発表したように、幹細胞は化学シグナル伝達カクテルを一切使用することなく、望ましい発達経路へと誘導することができる。必要なのは、幹細胞に、必要な組織の細胞に固有の特徴的な形状を与えることだけだ。

一見すると、この結果は奇妙で理解しがたい。まるで、医学部の実習で白衣を着ることを強制されるから学生が医者になれると言っているようなものだ。細胞の形態がどのように細胞の行動を決定するのか、科学者はまだ解明できていない。しかしもちろん、新しい組織を成長させる空間的な方法は、シグナル化学的な「培養」よりも安価でシンプルに思える。