中枢神経疾患に対するカプセル化細胞移植

岡 山医学会 雑誌 第118巻 September2006,pp.99-103

平成17年度岡山医学会賞(新 見賞)受 賞論文

中枢神経疾患に対す るカプセル化細胞移植

安 原 隆 雄*,新 郷 哲 郎,小 林 和 樹,竹 内 亮,矢 野 昭 正,村 岡 賢 一 郎, 亀 田 雅 博,元 文 姫,早 瀬 仁 志,上 利 崇,松 井 利 浩,三 好 康 之, 伊 達 勲 岡山大学大学院医歯薬学総合研究科 神経病態外科学 キ ー ワ ー ド:カ プ セ ル 化 細 胞 移 植,グ リ ア細 胞 株 由 来 神 経 栄 養 因 子(GDNF),血 管 内皮 成 長 因 子(VEGF),脳 虚 血, パ ー キ ン ソ ン病 は じ め に 一一度 損 傷 を 受 け た 中 枢 神 経 系 組 織 は 再 生 し な い と長 い 間 信 じ ら れ て き た が,マ ウ ス 成 体 脳 か ら神 経 幹 細 胞 が 分 離 培 養 さ れ て 以 来1),一 定 の 可 塑 性 を 有 す る こ と が 認 め ら れ て い る.再 生 医 療 の 柱 の 一 つ で あ る 細 胞 移 植 療 法 で は,損 傷 を受 け た 組 織 に 移 植 細 胞 が 生 着 し, 元 の 機 能 を補 う よ う に 働 く こ と が 理 想 で あ る2).脳 梗 塞 の よ う に 様 々 な 種 類 の 細 胞 が 一 度 に 損 傷 さ れ る 場 合,移 植 細 胞 の 適 切 な 分 化 お よ び 回 路 再 構 築 が 必 要 で あ る.ま た,黒 質 線 条 体 の ドパ ミ ン ニ ュ ー ロ ン の 変 性 に よ り生 じ る パ ー キ ン ソ ン病 に 代 表 さ れ る 神 経 変 性 疾 患 の 場 合,均 一 な 型 の 細 胞 の 生 着 が 必 要 で あ り,例 え ば パ ー キ ン ソ ン病 に対 して は特 にES細 胞 か ら高 率 に ドパ ミ ン ニ ュ ー ロ ン を 分 化 誘 導 可 能 で は あ る が3),腫 瘍 化 の 問 題 が ク リ ア さ れ て い な い4). 一 方 ,移 植 細 胞 か ら分 泌 さ れ る神 経 栄 養 因 子 や 各 種 成 長 因 子 が 神 経 保 護 作 用 を 有 した り,内 在 性 の 神 経 新 生 を賦 活 化 した りす る こ と も知 られ て お り,細 胞 移植 療 法 の有 す る治 療 効 果 に大 き く寄 与 して い る と考 え ら れ て い る5).岡 山大 学 神 経 病 態 外 科 学(脳 神 経 外 科) 教 室 神 経 移 植 グル ー プで は,神 経 幹 細 胞 の研 究 と平行 して,カ プ セ ル化神 経 栄養 因子 産 生 細 胞 移 植 の研 究 を 行 って い る.本 稿 で は,特 に グ リア細 胞株 由来神 経 栄 養 因子(GDNF)を め ぐる最新 の知 見 を交 えて,我 々 の行 っ て きた カ プセ ル化 細 胞 移 植 につ い て報 告 す る. カ プセ ル 化 細胞 移 植 カ プ セ ル化 細胞 移 植 は,膵 臓 や 副 甲状 線 に代 表 され るホ ル モ ン産 生臓 器 の 一部 の疾 患 にお い て,す で に臨 床 応 用 が な され て い る6,7).中枢 神 経 系 領 域 で も,筋 萎 縮 性 側 索 硬 化 症 患 者 に 対 す る毛 様 体 神 経 栄 養 因 子 (CNTF)産 生 細胞 移 植 や慢 性 疹 痛 患 者 に対 す る副 腎 髄 質 の ク ロマ フ ィ ン細 胞 移 植 が,髄 腔 内 カ プセ ル化 細 胞 移 植 とい う方 法 で報 告 され てい る8・9).カプセ ル化 細 胞 移 植 の長所 ・短所 を表1に,シ ェ ーマ を図1に 示 す が,腫 瘍 化 や免 疫拒 絶 を心 配 す る必 要 が な く,長 期 間 に わ た り移植 細 胞 が機 能 す る とい う長所 が,本 法 の最 大 の特 徴 で あ る.ま た,新 鮮 な栄養 因 子 ・成 長 因子 を 持 続 的 に宿 主脳 に供 給 で きる点 も大 きな魅 力 で あ る. 平 成18年4月 受 理 *917Bon Air Drive

,Augusta,GA,30907,USA 電 話:1-706-733-0188.2487 FAX:1-706-823-3949 E-mail:[email protected] ;[email protected] ◆ プ ロ フ ィ ー ル ◆ 安 原 隆 雄 平 成10年,岡 山 大 学 医学 部 卒,脳 神 経 外科(現 神経 病 態 外 科)入 局.平 成13年11月 よ り大 本 堯 史 前 教授,伊 達 勲 教授,新 郷 哲郎 先 生 の 指導 の 下,パ ー キ ン ソン病 に対 す る カ プセ ル化 細 胞移 植 を中心 と した中枢 神 経 系 の 移植 ・ 再 生 に 関 す る研 究 を行 い,Eur J Neurosci(学 位 論 文),J Neurosurg,Rev Neurosci,Brain Resな どの論 文 発 表 を行 う.ま た,愛 媛 大学 医 学 部 臨床 薬 理学 教 室,宮 崎医 科 大学 産 婦 人 科学 教 室 との共 同 研 究 も平 行 して 行 い数 編 の論 文 が 掲載 さ れた.上 記 の研 究 が評価 され平 成17年 日本脳 神 経 外 科学 会 奨 励 賞 を受 賞 した.平 成17年1月 よ り,細 胞 移 植 の 研 究 で世 界 的 に有 名 なDr.CesarioV.Borlonganの も とに 留学(Medical College of Georgia)

して お り,骨 髄 細 胞 を用 い た神経 疾 患 の 治療 法 や サ ル海 馬 虚 血 モ デル に つ い て研 究 中 で ある.ま た,運 動抑 制 と 神 経 新 生 に 関 す る新 しい研 究 に よ り平 成18年 上 原 記念 生 命 科学 財 団 よ り助 成 を受 けて い る.

表1  カプ セル化細 胞移 植 の長所 ・短 所 図1  カ プ セ ル 化 細 胞 の模 式 図 A:カ プ セ ル を顕 微 鏡 下 に拡 大 して み る と多 孔 性 の膜 構 造 が 良 く分 か る.B:カ プ セ ル 断 端 に糸 を つ な げ た 状 態 で移 植 す る こ と に よ り,移 植 後 何 ら か の 問 題 が 生 じた 際 に は い つ で も取 り出 し可 能 で あ る.C:カ プ セ ル は半 透 膜 製 の 中 空 糸 よ り成 っ て お り,酸 素 や 栄 養 素 は 自 由 に通 過 で き る が,抗 体 や 免 疫 担 当 細 胞 は通 過 で き な い.予 め 設 定 され た 分 子 節 よ り小 さ い サ イ ズ の カ テ コー ル ア ミ ン,神 経 栄 養 因 子 や 成 長 因 子 は カ プ セ ル か ら周 囲 組 織 に拡 散 す る. 血 管 内皮 成 長 因子(VEGF)は 生 体 内 半 減期 が 短 く, 単 回大 量 投 与 で は未 熟 な血管 増 生 か ら出血 を きたす こ とが知 られ て い るが,カ プセ ル化 細 胞 移 植 の方 法 を用 い る こ とで,新 鮮 な低 用 量 のVEGFを 持 続 的 に組織 に 供 給 す る こ とが可 能 で あ り,パ ー キ ン ソ ン病 モ デ ルや 脳 梗 塞 モ デ ル ラ ッ トに対 し十 分 な治 療 効 果 が 得 られ た10-13). 先 に も少 しふ れ た が,我 々 の研 究 室 で は,パ ー キ ン ソ ン病 と脳 梗 塞 に対 す る カ プ セ ル 化 細 胞 の 脳 内 移 植 に つ い て 研 究 し て き た14-17).サ ル の パ ー キ ン ソ ン病 モ デ ル に 対 し て,ラ ッ ト副 腎 褐 色 細 胞 腫 由 来 の ドパ ミ ン産 生 細 胞 株 の カ プ セ ル 化 脳 内 移 植 を 行 い,移 植 後12ヶ 月 の 長 期 に わ た りパ ー キ ン ソ ン 病 症 状 の 改 善 効 果 を 得 た17).一 方,パ ー キ ン ソ ン病 に 対 し て ドパ ミ ン の 長 期 過 剰 供 給 が ジ ス キ ネ ジ ア やWearing-off現 象 の 誘 発 を 含 め,病 態 を 複 雑 に悪 化 させ る こ とが 知 ら れ て き て い る.し か し,カ プ セ ル 化 細 胞 移 植 後 も,抗 生 物 質 な ど で 外 部 か ら ドパ ミ ン の 産 生 量 を コ ン トロ ー ル す る こ と が で き れ ば,よ り安 全 に移 植 を 行 う こ とが で き る.我 々 は,テ トラ サ イ ク リ ン投 与 に よ り,ド パ ミ ン 産 生 量 を 外 部 か ら調 節 で き る 細 胞 株 に つ い て の 研 究 を 行 っ た.in vitroに お い て テ トラ サ イ ク リ ン 用 量 依 存 性 に ドパ ミ ン産 生 量 の コ ン ト ロ ー ル が 可 能 で あ る こ と を確 認 した.さ ら に,パ ー キ ン ソ ン病 モ デ ル ラ ッ トに対 す る カ プ セ ル 化 細 胞 移 植 に よ り,そ の 髄 液 中 の ドパ ミ ン 量 の 変 化 を 確 認 し た.長 期 的 にin vivoで は,ド パ ミ ン 産 生 のOn・Offを 何 度 も切 り替 え し て い る う ち に, 徐 々 に 制 御 が 効 き に く く な る と い う結 果 で あ っ た が, 今 後 シ ス テ ム の 改 良 に よ り臨 床 応 用 も期 待 で き る と 考 え られ た18). GDNFの パ ー キ ン ソ ン 病 に 対 す る 効 果 パ ー キ ン ソ ン病 の 治 療 はL-DOPAや ドパ ミ ン ア ゴ ニ ス トを 用 い た 薬 物 治 療 を柱 と し,定 位 脳 手 術(深 部 核 刺 激 術 ・深 部 核 凝 固 術)や 欧 米 で は細 胞 移 植 も選 択 可 能 な 治 療 法 に な っ て い る.GDNFは パ ー キ ン ソ ン病 の 新 し い 治 療 戦 略 の 一 つ と し て 現 在 非 常 に注 目 さ れ て

カ プセ ル化 細胞 移植:安 原 隆雄,他12名 い る 神 経 栄 養 因 子 で あ る.2003年 に5人 の パ ー キ ン ソ ン病 患 者 に 対 す るGDNFの 線 条 体 内 直 接 注 入 が 有 効 で あ っ た とす る 報 告 が 出 さ れ た19).こ の 報 告 で は,体 重 減 少 な ど のGDNFに よ る 副 作 用 は1例 も 生 じ て お らず,患 者 の 日常 生 活 動 作 お よ び ドパ ミ ン代 謝 を有 意 に 改 善 して い る.GDNFの 線 条 体 内 注 入 の 方 が,側 脳 室 内 注 入 に 比 べ て 効 果 が 高 い と い う こ と は,我 々 の 研 究 室 で もす で に動 物 実 験 で 証 明 し て き て い る と こ ろ で あ り20),こ の こ と が 臨 床 応 用 で も証 明 さ れ た と い え る. そ の 後,脳 室 内 投 与 で は 治 療 効 果 が 無 か っ た と す る 報 告21),長 期 に わ た りGDNFの 効 果 が 持 続 した と す る 報 告22),片 側GDNF投 与 で 両 側 の 臨 床 症 状 が 改 善 した と す る 報 告23),GDNF投 与 に よ り組 織 学 的 改 善 が 認 め ら れ た とす る 報 告24)が 相 次 い だ が,依 然,有 効 なGDNF 投 与 時 期 ・投 与 量 に 関 し て は 不 明 な 点 が 多 い. 我 々 は よ り 安 全 か つ 有 効 な 臨 床 応 用 に 向 け て, GDNFの 投 与 方 法 に 関 す る研 究 を行 っ て き た.GDNF 投 与 の 有 効 性 を投 与 回 数 ・投 与 部 位 ・投 与 さ れ る 動 物 の 年 齢 に お い て 検 討 し た 後20,25,26),遺伝 子 操 作 に よ っ てGDNFを 産 生 す る 細 胞 株 を 作 製 し,カ プ セ ル に 封 入 後,ラ ッ トの 右 線 条 体 内 に 移 植 し た.宿 主 ラ ッ トの 右 線 条 体 に は,移 植 前 あ る い は 移 植 後 に ドパ ミ ン系 に 対 す る神 経 毒 で あ る6-OHDAを 注 入 し,GDNF産 生 カ プ セ ル の 宿 主 ドパ ミ ン神 経 系 に 対 す る 長 期 の 保 護 お よ び 再 生 効 果 に つ い て 検 討 し た27).移 植 し た カ プ セ ル か ら は6ヶ 月 間 持 続 的 にGDNFが 産 生 さ れ,カ プ セ ル 内 に はGDNF産 生 細 胞 が 良 好 に 生 着 した.宿 主 線 条 体 お よ び 黒 質 の ドパ ミ ン線 維 お よ び ドパ ミ ン ニ ュ ー ロ ンの 良 好 な生 存 お よ び 再 生 が 観 察 さ れ,行 動 学 的 に

も改 善 が 得 ら れ た.次 い で,in vitro・in vivoの パ ー

キ ン ソ ン 病 モ デ ル を用 い て,GDNFの 神 経 保 護 作 用 に 対 す る,GDNF投 与 量 ・投 与 時 期 の 影 響 を 検 討 し た28).マ ウ ス 胎 仔 ドパ ミ ン ニ ュ ー ロ ン に 対 し て,1∼ 100ng/mlのGDNFを6-OHDAの 投 与1日 前,同 時, 2,4時 間 後 に 投 与 し た と こ ろ,GDNF投 与 時 期 が 遅 い ほ ど神 経 保 護 作 用 は 減 弱 し,6-OHDA投 与4時 間 後 以 外 のGDNF投 与 で は 有 意 な神 経 保 護 作 用 を 示 し た.ま た,神 経 保 護 作 用 はGDNF用 量 依 存 性 で あ っ た.こ の 結 果 に 基 づ い て,GDNF産 生 カ プ セ ル 移 植 を 線 条 体 内6-OHDA注 入1週 間 前,同 時,1,2,4 週 間 後 に 行 い,行 動 学 的 ・組 織 学 的 に評 価 し た.コ ン ト ロ ー ル カ プ セ ル 移 植 群 と比 較 す る と す べ て の 群 に お い て 行 動 学 的 改 善 な ら び に ドパ ミ ン ニ ュ ー ロ ン の 生 存 率 向 上 を認 め た が,改 善 の 程 度 は カ プ セ ル 移 植 が,よ り早 期 に行 わ れ た 群 ほ ど 著 明 で あ っ た.こ れ ら の 結 果 か ら,よ り良 い 効 果 を 得 る た め に は,パ ー キ ン ソ ン病 の 比 較 的 早 い 段 階 でGDNF投 与 が 開 始 さ れ る の が 望 ま しい と考 え ら れ た.さ ら に,臨 床 応 用 に 近 づ くべ く, MPTPに よ る パ ー キ ン ソ ン 病 モ デ ル マ ー モ セ ッ ト を 用 い た 研 究 も行 い,GDNFカ プ セ ル の 治 療 効 果 を確 認 した29). GDNFの 脳 虚 血 に 対 す る 効 果 GDNFは 脳 虚 血 に 対 し て も神 経 保 護 作 用 が あ る こ とが 明 ら か と な っ て い る30).ま た,最 近 の 報 告 の 中 に は,移 植 細 胞 か ら分 泌 さ れ るGDNFが 神 経 保 護 作 用 の 中 心 と な っ て い る と い う も の も あ る31).我 々 は 中 大 脳 動 脈 閉 塞(MCAO)脳 梗 塞 モ デ ル ラ ッ トに 対 し て カ プ セ ル 化GDNF産 生 細 胞 移 植 を行 っ た.GDNFカ プ セ ル 移 植 群 で はMCAO14日 後 に 運 動 機 能 の 改 善 と梗 塞 巣 の 体 積 の 減 少 を 認 め た.ま た,MCAO1日 後 に は TUNEL染 色 でTUNEL陽 性 の ア ポ ト ー シ ス 細 胞 が 明 ら か に減 少 し て お り,GDNFの 脳 梗 塞 に 対 す る 神 経 保 護 作 用 は 抗 ア ポ トー シ ス 作 用 を介 し て い る こ と も示 さ れ た(in submission).ま た,新 生 仔 ラ ッ トの 全 脳 虚 血 モ デ ル に 対 し て も同 様 の 実 験 を 行 い,予 めGDNFカ プ セ ル を移 植 し た 群 で は 組 織 学 的 ・行 動 学 的 に 改 善 が み ら れ,脳 性 マ ヒ に 対 す る 治 療 戦 略 と し てGDNFの 有 効 性 が 示 唆 さ れ た32,33). お わ り に 中 枢 神 経 疾 患 に 対 す る カ プ セ ル 化 細 胞 移 植 に つ い て,我 々 の 行 っ て き たGDNF産 生 細 胞 移 植 を 中 心 に 報 告 した.安 全 性 と更 な る 治 療 効 果 の 向 上 を 求 め た 前 臨 床 研 究 が 必 要 で あ る が,カ プ セ ル 化 細 胞 移 植 は,優 れ た ド ラ ッ グ デ リバ リー シ ス テ ム と し て,中 枢 神 経 疾 患 に対 す る 治 療 の 一 つ の 選 択 肢 に 成 り得 る と考 え ら れ る. 文 献

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13) Yano A, Shingo T, Takeuchi A, Yasuhara T, Kobayashi K,

Takahashi K, Muraoka K, Matsui T, Miyoshi Y, Hamada H, Date I: Encapsulated vascular endothelial growth factor-secreting cell grafts have neuroprotective and angiogenic effects on focal cerebral ischemia. J Neurosurg (2005) 103, 104-114.

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18) Kobayashi K, Yasuhara T, Agari T, Muraoka K, Kameda M, Wen Ji Y, Hayase H, Miyoshi Y, Matsui T, Shingo T, Date I: Control of dopamine-secretion by Tet-Off system in an in vivo model of Parkinsonian rat. Brain Res Mol Brain Res (2006) in press.

19) Gill SS, Patel NK, Hotton GR, O' Sullivan K, McCarter R, Bunnage M, Brooks DJ, Svendsen CN, Heywood P: Direct brain infusion of glial cell line-derived neurotrophic factor in Parkinson disease. Nat Med (2003) 9 , 589-595. 20) Aoi M, Date I, Tomita S, Ohmoto T: GDNF induces

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21) Nutt JG, Burchiel KJ, Comella CL, Jankovic J, Lang AE, Laws ER Jr, Lozano AM, Penn RD, Simpson RK Jr, Stacy M, Wooten GF: Randomized, double-blind trial of glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF) in PD. Neurology (2003) 60, 69-73.

22) Patel NK, Bunnage M, Plaha P, Svendsen CN, Heywood P, Gill SS: Intraputamenal infusion of glial cell line-derived neurotrophic factor in PD; a two-year outcome study. Ann Neurol (2005) 57, 298-302.

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カ プセル化細 胞移 植:安 原 隆雄,他12名

24) Love S, Plaha P, Patel NK, Hotton GR, Brooks DJ, Gill SS: Glial cell line-derived neurotrophic factor induces neuronal sprouting in human brain. Nat Med (2005) 11, 703-704.

25) Aoi M, Date I, Tomita S, Ohmoto T: Single or continuous injection of glial cell line-derived neurotrophic factor in the striatum induces recovery of the nigrostriatal dopaminergic system. Neurol Res (2000) 22, 832-836. 26) Date I, Aoi M, Tomita S, Collins F, Ohmoto T: GDNF

administration induces recovery of the nigrostriatal dopaminergic system both in young and aged parkinsonian mice. Neuroreport (1998) 9 , 2365-2369.

27) Date I, Shingo T, Yoshida H, Fujiwara K, Kobayashi K, Takeuchi A, Ohmoto T: Grafting of encapsulated genetically modified cells secreting GDNF into the striatum of parkinsonian model rats. Cell Transplant (2001) 10, 397-401.

28) Yasuhara T, Shingo T, Muraoka K, Kobayashi K, Takeuchi A, Yano A, Wenji Y, Kameda M, Matsui T, Miyoshi Y, Date I: Early transplantation of an encapsulated glial cell line-derived neurotrophic factor-producing cell demonstrating strong neuroprotective effects in a rat model of Parkinson disease. J Neurosurg (2005) 102, 80-89. 29) 安 原 隆 雄, 新 郷 哲 郎, 村 岡 賢 一 郎, 亀 田 雅 博, 元 文 姫, 松 井 利 浩, 三 好 康 之, 張 捷, 野 元 正 弘, 伊 達 勲: 臨 床 応 用 を め ざ し た パ ー キ ン ソ ン 病 に 対 す る カ ブ. セ ル 化 GDNF産 生 細 胞 移 植 の 検 討.Progress in Medicine (2004) 24, 270-474.

30) Kitagawa H, Sasaki C, Sakai K, Mori A, Mitsumoto Y, Mori T, Fukuchi Y, Setoguchi Y, Abe K: Adenovirus-mediated gene transfer of glial cell line-derived neurotrophic factor prevents ischemic brain injury after transient middle cerebral artery occlusion in rats. J Cereb Blood Flow Metab (1999) 19, 1336-1344.

31) Borlongan CV, Hadman M, Sanberg CD, Sanberg PR: Central nervous system entry of peripherally injected umbilical cord blood cells is not required for neuroprotection in stroke. Stroke (2004) 35, 2385-2389. 32) Katsuragi S, Ikeda T, Date I, Shingo T, Yasuhara T,

Mishima K, Aoo N, Harada K, Egashira N, Iwasaki K, Fujiwara M, Ikenoue T: Implantation of encapsulated glial cell line-derived neurotrophic factor-secreting cells prevents long-lasting learning impairment following neonatal hypoxic-ischemic brain insult in rats. Am J Obstet Gynecol

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33) Katsuragi S, Ikeda T, Date I, Shingo T, Yasuhara T, Ikenoue T: Grafting of glial cell line-derived neurotrophic factor secreting cells for hypoxic-ischemic encephalopathy in neonatal rats. Am J Obstet Gynecol (2005) 192, 1137-1145.