脳虚血における神経幹細胞研究の歴史と現状

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(1)● シンポジウム 7 脳卒中再生医療. 脳虚血における神経幹細胞研究の歴史と現状高木康志. 要旨 iPS 細胞が樹立され再生医療の可能性について期待が膨らんでいる．この細胞の最大の利点は自分自身の細胞から樹立できることであり，生命倫理学的問題点の克服のみならず，自家移植が可能で免疫学的な問題点も克服できる可能性が示されている．現在の脳梗塞に対する再生医療の基礎研究と臨床応用の状況について，その歴史とともに我々の研究室のデータを元に解説する．脳卒中に対する細胞移植治療には，少なくとも運動ニューロンを含めた皮質脊髄路の再構築が必要であり，まだ様々な研究の発展が必要である．また脳卒中に対する神経新生治療では，現在ヒトにて機能回復が果たせる神経新生を得る条件は見つかっていない．現時点では将来の基礎研究発展に備えて，多角的，科学的な評価システムを構築することが必要であると思われる．（脳循環代謝 26：113∼117，2015）. キーワード : 神経新生，神経幹細胞移植，脳梗塞，再生医療，リハビリテーション. よび霊長類で報告した6）．また同時期に Mckay らの研. 神経幹細胞研究の歴史. 究室も異なった方法でドーパミン産生神経細胞を特異的に胚性幹細胞から分化させることに成功した7）．た. 神経幹細胞の発見は Altman らによる脳内の神経細. だし，胚性幹細胞は受精卵由来の内部細胞塊より樹立. 胞にチミジンが取り込まれることの発見による．こ. するため，受精卵を破壊するという倫理的な問題点を. の重大な発見は長らく真の意味での評価が与えられな. 常にはらんでおり，研究の発展がとくにキリスト教国. かったが，1990 年代に Gage らの研究により，BrdU. で制限される状況にあった．この倫理的問題点を打破. 1）. の取り込みが見られる細胞が，その後アストロサイト. したのが iPS 細胞の樹立である．Yamanaka らは 2006. やニューロンに分化していることが再発見され，内在. 年にマウスで iPS 細胞を樹立し，そのわずか 1 年後に. 性神経幹細胞研究の曙となった2）．彼らとその共同研. ヒトにおいても iPS 細胞を樹立することに成功し. 究グループはその後の研究において，末期がんの患者. た8, 9）．この細胞の最大の利点は自分自身の細胞から樹. に BrdU を注射し，その後の剖検脳において，ヒトの. 立できることであり，生命倫理学的問題点のみなら. 海馬においても神経幹細胞が存在し，アストロサイト. ず，自家移植が可能で免疫学的な問題点も克服できる. やニューロンに分化していることが確認された．一. 可能性が示された．. 3）. 方，in vitro の研究系においても神経幹細胞の培養法が. 脳虚血，パーキンソン病に対する ES，iPS 細胞由来神経幹細胞移植研究. 報告され幹細胞研究が盛んとなった．また，2000 年頃に霊長類やヒトの胚性幹細胞が樹立され，幹細胞研究の隆盛に拍車を掛けた4, 5）．Sasai らの研究室はマウス由来のフィーダー細胞を用いて，胚性幹細胞から特異. 我々は脳卒中に対する神経移植治療の開発を目指し. 的にドーパミン産生神経細胞を作る方法をマウス，お. てきた．まず脳梗塞においては，神経細胞，脳血管，. 京都大学脳神経外科〒 606-8507 京都市左京区聖護院川原町 54 TEL: 075-751-3459 FAX: 075-752-9501 E-mail: [email protected]. 神経ネットワークのいずれもが失われ，すべての要素の再構築が必要であるという特徴がある（Fig. 1）．我々は霊長類胚性幹細胞から神経幹細胞を誘導し，マウス脳虚血モデルに移植を行った．移植細胞は移植後 ─ 113 ─.

(2) 脳循環代謝第 26 巻第 2 号. Fig. 1．脳梗塞（A），パーキンソン病（B），に対する細胞移植治療（シェーマ）．脳梗塞に対する細胞移植治療では神経細胞，脳血管，神経ネットワークすべての再構築が必要である．パーキンソン病に対してはドーパミンを産生する神経細胞の移植のみで症状の改善を得られる可能性がある（A．脳梗塞患者の絵は http://www.no-kosoku.net/qa/（田辺三菱製薬）より引用，B．パーキンソン病患者の絵はウィリアム・リチャード・ガワーズ『神経系疾患マニュアル』（1886 年）より引用）．. Fig. 2．IL-6 中和抗体（MR16-1）の効果．マウス ES 細胞由来神経前駆細胞をマウス脳内に移植した．脳内における MPO 陽性細胞は MR16-1 投与群で有意に減少している．. 1 カ月の間正着し，神経細胞やグリア細胞に分化する. に成功している13）．さらにはカニクイサルの脳内で正. ことが確認された10）．また，胚性幹細胞由来移植細胞. 着していることも確認されている13, 14）．同研究室は科. は IL-6 受容体を発現しており，中和抗体で IL-6 path-. 学技術振興機構の再生医療実現拠点ネットワークプロ. way を阻害することにより，生着率が上がるのみなら. グラムの拠点の一つであり，早期の臨床応用を目指し. ず神経細胞への分化が促進することが示されている11）. ている．神経再生医療の中には，内在性神経新生の亢. （Fig. 2）．さらには iPS 細胞由来の神経幹細胞も移植脳. 進を得ることにより，機能回復を図る方法も考えられ. で生着することが確認された．しかし，脳梗塞後の. ている．我々は 1999 年に一過性脳虚血により海馬歯. 神経機能回復に必要な運動ニューロンへの選択的な誘. 状回にて神経新生が亢進することを報告した15）．最近. 導は未だ得られておらず，さらには皮質脊髄路の再構. では内因性神経新生をコントロールする物質の研究を. 築は得られていない．一方，神経移植治療の最初の. 行っている．その中で RBP-J 欠損マウスにおいて，神. ターゲットとされている疾患がパーキンソン病であ. 経への分化が抑制されオリゴデンドロサイトへの分化. 12）. る．パーキンソン病は，中脳黒質におけるドーパミン. 率が上昇することや，Notch pathway をブロックする. 産生神経細胞の減少に由来しており，ドーパミン産生. ことでオリゴデンソロサイトへの分化が抑制されるこ. 神経細胞の生着のみにて一定の効果が得られる可能性. と，脳虚血は reactive astrocyte への分化率を上昇させ. がある（Fig. 1）．我々は京都大学 iPS 細胞研究所 Taka-. ることを報告している16, 17）（Fig. 3）．現在までに様々な. hashi らの研究室と共同研究を行っているが，高橋研. 物質が内因性神経新生をコントロールしていることが. 究室ではヒト iPS 細胞よりドーパミン神経細胞の誘導. 報告されてきているが，残念ながらヒトの機能回復に. ─ 114 ─.

(3) 脳虚血における神経幹細胞研究の歴史と現状. Fig. 3．脳虚血における Notch pathway の活性化．Venus 陽性細胞では Notch pathway が活性化されている．傍側脳室領域の Venus 陽性細胞はマウス中大脳動脈閉塞により（MCA）増加しており，神経幹細胞 GFAP 陽性細胞，Dlx2 陽性細胞では認められるが，神経前駆細胞 PSA-NCAM 陽性細胞にはほとんど認められない．. 必要な神経新生をもたらすようなメカニズムは明らか. 臨床応用への現状. となっていない（Fig. 4）．. 骨髄間質細胞研究について. 現在いくつかの脳卒中に対する再生医療の臨床研究が進行している．中でも英国における神経幹細胞を利. 2000 年に Science 誌に骨髄が神経細胞に分化してい. 用した ReNeuron 社や米国における骨髄間質細胞より. るとの 2 論文が掲載され，骨髄内にある幹細胞研究が. 作成した細胞を利用した SanBio 社によるプロトコー. 盛んとなった18, 19）．我々は当時骨髄間質細胞からの神. ルが広く知られている．国内でも骨髄細胞由来の細胞. 経誘導細胞に成功していた Dezawa らの研究室と共同. を静脈内投与する臨床研究が行われている．振り返る. で骨髄間質細胞から誘導した神経幹細胞様細胞をマウ. と 2000 年代に飼育環境を良くすれば神経新生が亢進. ス脳虚血モデルに移植し機能回復が得られることを報. するとの報告が行われ21），中でも「走る」ことが最も神. 告した20）．しかし骨髄細胞は脳内で細胞融合を来して. 経新生を亢進させるとの報告が行われた22）．これはリ. いることの可能性が示唆され，骨髄細胞の脳虚血モデ. ハビリテーションの内因性神経再生への影響を観察し. ルにおける神経機能回復効果は，神経細胞への分化の. た者であると考えられ，我々はロボットを使ったリハ. みならず神経幹細胞賦活化作用，内皮保護作用，神経. ビリテーションにより神経伝達路の再構築を図るべく. 栄養作用などのさまざまな効果が組み合わされた効果. 研究を行っている．ロボット，中でもサイバーダイン. であるとの考え方が主流となりつつある．. 社のロボットスーツ HAL は筋肉に伝わる生体信号を感知し，下肢の運動をサポートする，今までにない新規リハビリテーションシステムである23, 24）．我々はこ ─ 115 ─.

(4) 脳循環代謝第 26 巻第 2 号. 時点では将来の基礎研究発展に備えて，多角的，科学的な評価システムを構築することが必要であると思われる．文献 1） Altman J, Das GD: Post-natal origin of microneurones in the rat brain. Nature 207: 953–956, 1965 2） Kuhn HG, Dickinson-Anson H, Gage FH: Neurogenesis in the dentate gyrus of the adult rat: age-related decrease of neuronal progenitor proliferation. J Neurosci 16: 2027– 2033, 1996 3） Eriksson PS, Perfilieva E, Björk-Eriksson T, Alborn AM, Nordborg C, Peterson DA, Gage FH: Neurogenesis in the adult human hippocampus. Nat Med 4: 1313–1317, 1998 4） Thomson JA, Kalishman J, Golos TG, Durning M, Harris CP, Becker RA, Hearn JP: Isolation of a primate embryonic stem cell line. Proc Natl Acad Sci U S A 92: 7844– 7848, 1995 5） Thomson JA, Itskovitz-Eldor J, Shapiro SS, Waknitz MA, Swiergiel JJ, Marshall VS, Jones JM: Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts. Science 282: 1145– 1147, 1998 6） Kawasaki H, Mizuseki K, Nishikawa S, Kaneko S, Kuwana Y, Nakanishi S, Nishikawa SI, Sasai Y: Induction of midbrain dopaminergic neurons from ES cells by stroFig. 4．ロボットスーツ HAL によるリハビリテーションと内因性神経新生を利用した再生医療（シェーマ）．HAL トレーニングスペース（A 左）にはトレッドミルと自分の歩容を確認できるモニター画面がある．HAL によるリハビリテーションの実際（右）．薬物療法やリハビリテーションにより内在性神経新生を賦活化することにより機能回復を図ることができる可能性がある（B．脳梗塞患者の絵は http://www.no-kosoku.net/qa/（田辺三菱製薬）より，内在性神経新生の絵は NIH ホームページ http://pubs. niaaa.nih.gov/publications/arh27-2/197-204.htm より引用）．. mal cell-derived inducing activity. Neuron 28: 31–40, 2000 7） Lee SH, Lumelsky N, Studer L, Auerbach JM, McKay RD: Efficient generation of midbrain and hindbrain neurons from mouse embryonic stem cells. Nat Biotechnol 18: 675–679, 2000 8） Takahashi K, Yamanaka S: Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors. Cell 126: 663–676, 2006 9） Takahashi K, Tanabe K, Ohnuki M, Narita M, Ichisaka T, Tomoda K, Yamanaka S: Induction of pluripotent stem. のロボットスーツによるリハビリテーションに骨髄細. cells from adult human fibroblasts by defined factors. Cell. 胞静脈内投与による神経栄養効果，脳血管保護効果，. 131: 861–872, 2007. 神経新生増幅効果などを組み合わせた新規再生医療を. 10） Hayashi J, Takagi Y, Fukuda H, Imazato T, Nishimura M,. 計画中である（Fig. 4）．この研究の中で，リハビリ. Fujimoto M, Takahashi J, Hashimoto N, Nozaki K: Pri-. テーションの効果を神経心理学的，神経放射線学的に. mate embryonic stem cell-derived neuronal progenitors. 評価するシステム作りを行っている．. transplanted into ischemic brain. J Cereb Blood Flow Metab 26: 906–914, 2006 11） Gomi M, Aoki T, Takagi Y, Nishimura M, Ohsugi Y,. まとめ. Mihara M, Nozaki K, Hashimoto N, Miyamoto S, Takahashi J: Single and local blockade of interleukin-6 signal-. 脳卒中に対する細胞移植治療には，少なくとも運動. ing promotes neuronal differentiation from transplanted. ニューロンを含めた皮質脊髄路の再構築が必要であ. embryonic stem cell-derived neural precursor cells. J Neu-. り，まだ様々な研究の発展が必要である，また脳卒中に対する神経新生治療では，現在ヒトにて機能回復が果たせる神経新生を得る条件は見つかっていない．現. rosci Res 89: 1388–1399, 2011 12） Gomi M, Takagi Y, Morizane A, Doi D, Nishimura M,. ─ 116 ─. Miyamoto S, Takahashi J: Functional recovery of the.

(5) 脳虚血における神経幹細胞研究の歴史と現状. murine brain ischemia model using human induced plurip-. 18） Brazelton TR, Rossi FM, Keshet GI, Blau HM: From mar-. otent stem cell-derived telencephalic progenitors. Brain. row to brain: expression of neuronal phenotypes in adult. Res 1459: 52–60, 2012. mice. Science 290: 1775–1779, 2000. 13） Kikuchi T, Morizane A, Doi D, Onoe H, Hayashi T,. 19） Mezey E, Chandross KJ, Harta G, Maki RA, McKercher. Kawasaki T, Saiki H, Miyamoto S, Takahashi J: Survival. SR: Turning blood into brain: cells bearing neuronal anti-. of human induced pluripotent stem cell-derived midbrain. gens generated in vivo from bone marrow. Science 290:. dopaminergic neurons in the brain of a primate model of Parkinson’ s disease. J Parkinsons Dis 1: 395–412, 2011. 1779–1782, 2000 20） Hayase M, Kitada M, Wakao S, Itokazu Y, Nozaki K,. 14） Morizane A, Doi D, Kikuchi T, Okita K, Hotta A, Kawa-. Hashimoto N, Takagi Y, Dezawa M: Committed neural. saki T, Hayashi T, Onoe H, Shiina T, Yamanaka S, Taka-. progenitor cells derived from genetically modified bone. hashi J: Direct comparison of autologous and allogeneic. marrow stromal cells ameliorate deficits in a rat model of. transplantation of iPSC-derived neural cells in the brain of a non-human primate. Stem Cell Reports 1: 283–292,. stroke. J Cereb Blood Flow Metab 29: 1409–1420, 2009 21） Kempermann G, Kuhn HG, Gage FH: More hippocampal. 2013. neurons in adult mice living in an enriched environment.. 15） Takagi Y, Nozaki K, Takahashi J, Yodoi J, Ishikawa M,. Nature 386: 493–495, 1997. Hashimoto N: Proliferation of neuronal precursor cells in. 22） van Praag H, Kempermann G, Gage FH: Running. the dentate gyrus is accelerated after transient forebrain. increases cell proliferation and neurogenesis in the adult. ischemia in mice. Brain Res 831: 283–287, 1999. mouse dentate gyrus. Nat Neurosci 2: 266–270, 1999. 16） Fujimoto M, Takagi Y, Muraki K, Nozaki K, Yamamoto N,. 23） Ueba T, Hamada O, Ogata T, Inoue T, Shiota E, Sankai Y:. Tsuji M, Hashimoto N, Honjo T, Tanigaki K: RBP-J pro-. Feasibility and safety of acute phase rehabilitation after. motes neuronal differentiation and inhibits oligodendrog-. stroke using the hybrid assistive limb robot suit. Neurol. lial development in adult neurogenesis. Dev Biol 332: 339–350, 2009. Med Chir (Tokyo) 53: 287–290, 2013 24） Kawamoto H, Kamibayashi K, Nakata Y, Yamawaki K,. 17） Marumo T, Takagi Y, Muraki K, Hashimoto N, Miyamoto. Ariyasu R, Sankai Y, Sakane M, Eguchi K, Ochiai N:. S, Tanigaki K: Notch signaling regulates nucleocytoplas-. Pilot study of locomotion improvement using hybrid assis-. mic Olig2 translocation in reactive astrocytes differentia-. tive limb in chronic stroke patients. BMC Neurol 13: 141,. tion after ischemic stroke. Neurosci Res 75: 204–209,. 2013. doi: 10.1186/1471-2377-13-141. 2013. Abstract History and current status of regenerative therapy against stroke Yasushi Takagi Department of Neurosurgery, Kyoto University Graduate School of Medicine, Kyoto, Japan Establishment of human induced pluripotent cells (iPS) promises the possibility of regenerative therapy against stroke. We describe the history of neural stem cell research in brain ischemia. Effective cell transplantation against stroke needs to re-organize cortico-spinal tract including regeneration of motor neurons. Adult neurogenesis in human cannot improve functional recovery after stroke now. We are using rehabilitation using hybrid assistive limbs (HAL) to encourage neurogenesis. It is important for us to establish neurophysiological and neuroradiological assessment system based of scientific evidence. Key words: regenerative therapy, stroke, cell transplantation, neurogenesis, rehabilitation. ─ 117 ─.

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