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平成２５年１２月１３日
報道機関各位
国立大学法人 熊本大学
科学技術振興機構（ＪＳＴ）
世界で初めてヒト iPS 細胞から 3 次元腎臓組織作成に成功
～腎臓再生医療への扉を開く～
熊本大学発生医学研究所の研究グループは、胎内における腎臓の形成過程
を明らかにし、この知見に基づいて試験管内でマウスES細胞
※１及びヒトiPS
細胞
※２から３次元の腎臓組織を誘導することに成功しました。科学雑誌「Cell
Stem Cell」オンライン版に12月12日12:00正午（アメリカ東部時間）【日本時
間の12月13日午前２時より情報解禁】に掲載されます。
本成果は、腎臓が母胎内で形作られる仕組みを明らかにするとともに、世
界で初めて試験管内での３次元腎臓組織の構築を実現したもので、腎臓の再
生医療へ向けた大きな一歩です。またこの方法を元に、腎臓の病気を試験管
内で再現できる可能性があり、病因の解明と創薬開発につながることが期待
されます。
この研究は、熊本大学発生医学研究所腎臓発生分野の太口敦博さん（大学
院医学教育部博士課程４年次）
、西中村隆一教授らが行ったもので、科学技術
振興機構CREST「人工多能性幹細胞(iPS細胞)作成・制御等の医療基盤技術」、
科学研究費補助金、熊本大学グローバルCOE「細胞系譜制御研究の国際的人材
育成ユニット」の支援を受けました。
（概要）
腎臓の大部分は胎児の下半身の元となる特殊な細胞（体軸幹細胞
※３）に由
来することを発見した。
この細胞から腎臓の元となる細胞（腎臓前駆細胞
※４）を作成する方法を確
立した。
マウス ES 細胞とヒト iPS 細胞から試験管内で３次元の腎臓組織を作成す
ることに成功した。
（説明）
国立大学法人
熊本大学
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（説明）
腎不全による人工透析患者数は増加の一途をたどり、社会的問題にもなっ
ているものの、腎移植の機会は限られており、再生医療への期待が高まって
います。しかしながら、網膜や心臓、膵臓といった多くの臓器で臨床応用も
視野に入れた再生医療研究が進む一方で、腎臓を創ることは極めて困難でし
た。
そこでまず、腎臓がマウスの胎内で作られる仕組みに着目しました。これ
までに、胎児の腎臓は「腎臓前駆細胞」という腎臓の元となる細胞から形作
られることが知られていました。しかしながら、この腎臓の元となる細胞自
身がどのようにしてできるのかは全く明らかになっていませんでした。今回
我々は、この腎臓のもととなる細胞、
「腎臓前駆細胞」が、体の下半身のみを
作る特殊な細胞「体軸幹細胞」に由来することを見いだしました。さらに、
マウス胎児の体軸幹細胞を試験管内で培養し、体軸幹細胞から腎臓前駆細胞
を作るのに必要な 5 種類のたんぱく質を突き止めました（図１参照）
。これを
もとに、マウス ES 細胞とヒト iPS 細胞の両方から体軸幹細胞を経由して、試
験管内で腎臓前駆細胞を作成する方法を確立しました。この腎臓前駆細胞を
さらに培養することで、試験管内で３次元の腎臓組織を作成することに成功
しました（図２参照）
。
試験管内で３次元の腎臓組織を作ったという報告は世界で初めてであり、
腎臓の再生医療の扉を開ける成果と言えます。これをきっかけに、これまで
困難と考えられてきた腎臓の再生医療研究、さらには腎臓病の原因解明と新
薬の開発が一気に加速するものと期待されます。
※１ ES 細胞：受精卵から作られた万能細胞
※２ iPS 細胞：皮膚から作られた万能細胞
※３ 体軸幹細胞：体の下半身を形作る元となる細胞
※４ 腎臓前駆細胞：腎臓を形作る元となる細胞
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図１．試験管内での腎臓作成手順のあらまし
図２．
（左）マウス ES 細胞から作成した腎臓組織
（右）ヒトiPS細胞から作成した腎臓組織
（論文及び著者）
Redefining the in vivo origin of metanephric nephron progenitors enables generation of
complex kidney structures from pluripotent stem cells
Cell Stem Cell on line Dec 12, 2013
Atsuhiro Taguchi, Yusuke Kaku, Tomoko Ohmori, Sazia Sharmin, Minetaro Ogawa, Hiroshi
Sasaki, and Ryuichi Nishinakamura
詳 細資 料
平成２５年１２月１３日
報道機関各位
熊本大学
世界で初めてヒト
iPS 細胞から 3 次元腎臓組織作成に成功
～腎臓再生医療への扉を開く～
【配付資料】
［ ポ イ ン ト］
腎臓の大部分は胎児の下半身の元となる特殊な細胞（体軸幹細胞）に由来す
る こ と を 発見 し た 。
胎児の体軸幹細胞から腎臓のもととなる細胞（腎臓前駆細胞）を作成するの
に 必 要 な たん ぱ く 質 （ 成 長 因 子 ） の 組 み 合 わ せ を 同定 した 。
マウスES細胞とヒトiPS細胞から試験管内で腎臓前駆細胞を作成する方法を
確 立 し 、 世界 で 初 め て 三 次 元 の 腎 臓 組 織 を 作 成 す るこ とに 成功 した 。
［ 要 旨 ］
熊 本 大 学発 生 医学 研 究所・腎 臓 発生 分 野 の太口 敦 博（ 熊本 大 学 医学教 育 部 博士 課 程 大 学 院 生） 、 西中 村 隆一 教 授 らの 研 究グ ル ープ は 、 マウ ス ES 細胞※ １お よ び ヒト iPS 細 胞※ ２か ら 世 界 で 初 め て 糸 球 体 と 尿 細 管 を 伴 っ た 三 次 元 の 腎 臓 組 織 を 作 成 す る こ と に 成 功 しま し た。 腎 臓 は 血 液 を 糸 球 体※ ３で ろ 過 し 、 さ ら に そ こ か ら 尿 細 管※ ４で 必 要 な も の を 再 吸 収 す る こ とで 尿 を産 生 し、体 内の 体 液 バラ ン スの 維 持 や血 圧 調整 に 重要 な 役 割を 果 たし て い ま す。しか し ながら 、一度 機 能を 失 うと再 生 せ ず、人工 透 析がな け れ ば生 命 が維 持 で き ない 状 況に 陥 って し ま いま す 。腎 不 全の 原 因 の第 一 位が 糖 尿病 で あ るこ と もあ っ て 、 人工 透 析を 受 ける 患 者 数は 増 加の 一 途で 、 国 内 で 31 万 人 に上 っ て おり 、 医療 費 も 年 間１ 兆 円と 医 療経 済 的 問題 に もな っ てい ま す。腎 臓 移植 は 唯一 の 根 治療 法 です が 、 慢 性 的 に ド ナ ー が 不 足 し て お り 、 再 生 医 療 へ の 期 待 が 高 ま っ て い ま す 。 し か し 、 網 膜 や 心臓 、膵臓 と いっ た 多 くの 臓 器で 臨 床応 用 も 視野 に 入れ た 再生 医 療 研究 が 進む 一 方 で 、腎 臓 を創 る こと は 極 めて 困 難で し た。 西 中 村 隆一 教 授ら の 研究 グ ル ープ は 、マ ウスを 用 い た研 究 によ り 、糸 球 体 と尿 細 管 は 共 に、胎 児期 の 腎 臓前 駆 細 胞※ ５（ 腎 臓 のも と に なる 細 胞）か らで き て いる こ とを報 告 し て いま し た。し かし こ の 腎臓 前 駆細 胞 がど の よ うな 過 程を 経 て胎 内 で 形成 さ れる の か は ほと ん ど明 ら かに さ れ てい ま せん で した 。今回 、太 口 敦博 らは 、マウ ス の腎 臓 前 駆 細 胞が 下 半身 の 元と な る 特殊 な 細胞「 体軸 幹 細 胞※ ６」を 経 て形 成 さ れる こ とを 見出 し 、実 際に 胎 児 から採 取 し たこ の 細胞 か ら、腎 臓 前 駆細 胞 を 作るの に 必 要な ５ 種類 の 成 長 因子※ ７を 特 定す る こ とに 成 功し ま した 。 さ らに こ の 5因 子を 適 切 な組 み 合わ せ と 濃 度 で 5段 階 に分 けて 投 与 する こ とで 、マウ ス ES細胞 お よび ヒ トiPS細 胞 の両 方 から 腎 臓 前 駆細 胞 を試 験 管内 で 作 成す る こと が でき ま し た。そ して こ れら の 腎 臓前 駆 細胞 を さ ら に培 養 する こ とで 、世 界 で初 め て 、糸球 体 と 尿細 管 の両 方 を伴 っ た 三次 元 の腎 臓 組 織 が試 験 管内 で 再構 築 さ れま し た 。本研究 は 、腎 臓の 元 に なる細 胞 が 母胎 内 で形 成 さ れ る仕 組 みを 明 らか に す ると と もに 、世界 で 初 めて 試 験管 内 での ３ 次 元腎 臓 組織 の 構 築 を実 現 した も ので す 。実 際 に この 腎 臓組 織 が 尿を 産 生す る ため に は 更な る 細胞 の 成 熟 化と 尿 を排 出 する 仕 組 みが 必 要で す が、本 研究 は こ れま で 固く 閉 ざ され て いた 腎 臓 の 再生 医 療の 扉 を開 く大 きな 一 歩と 言 えま す。ま たこ の 方 法を元 に 、腎 臓の 病 気 を 試 験 管内 で 再現 で きる 可 能 性が あ り、病 因の 解 明 と創 薬 開発 に つな が る こと が 期待 さ れ ま す。 本 研究 成 果は 科 学 雑誌 「Cell Stem Cell」オ ン ライ ン 版に 12月 12日 12:00 正 午 （ アメ リ カ東 部 時間 ） に 掲載 さ れま す 。 ※ 本 研 究は 、科 学 技術振 興 機 構 CREST「 人 工多 能 性 幹細 胞 (iPS細 胞)作 成・制 御 等の 医 療 基 盤 技術 」 、科 学 研究 費 補 助金 、 熊本 大 学グ ロ ー バル COE「細 胞系 譜 制 御研 究 の国 際 的 人 材育 成 ユニ ッ ト」 の 支 援を 受 けま し た。
[研究 の 背景 ]
腎 不 全 によ る 人工 透 析患 者 数 は増 加 の一 途 をた ど り、医 療 費増 大 の一 因 と もな って い る こ とか ら、社 会的問 題 に もな っ てい ま す。し かし な がら 、腎 移植 の 機 会は 限 られ て お り、山 中 教授 ら によ る iPS 細 胞 の発 明 を契 機 に 再生 医 療へ の 期待 が 高 まっ て いま す 。 各 々 の 臓器 は それ ぞ れ複 数 の 種類 の 細胞 が 集ま っ て でき て いま す が、そ のほ と んど の 細 胞 の元 に なる「前駆 細 胞」と いう 多 能性を 持 つ 細胞 が まず 胎 児期 に 形 成さ れ、成 長 す る に つ れ 増 殖 、 分 化 （ 成 熟 ） す る こ と に よ り 臓 器 は 形 成 さ れ ま す 。 し た が っ て 、 臓 器 の 再 生 に あ た っ て は ま ず こ の 臓 器 ご と の 「 前 駆 細 胞 」 の 作 製 が ま ず 目 標 と さ れ 、 多 く の 臓器（ 網膜 、心臓 、膵 臓、軟骨 ）でここ ま で はク リ アさ れ てき ま し た。そ して 実 際 の 臨床 応 用に 向 けて は 、さ ら に大 人 の細胞 と 同 じよ う な「 機能を も つ 細胞 」に い か に 成 熟さ せ るか と いう と こ ろに 主 眼が 移 りつ つ あ りま す 。 一 方 で、腎 臓領 域 に おい て は この 臓 器の 前 駆細 胞 、「 腎臓 前 駆 細胞」を 作る こ とす ら 極 め て困 難 でし た 。臓 器 の 前駆 細 胞作 製 にあ た っ ては 、基 本 的に胎 内 で その 臓 器前 駆 細 胞 が作 ら れる 仕 組み（ 発 生 過程 ）を 試 験管 内 で 模倣 す ると い う戦 略 が 一般 的 です が 、腎臓 に お いて は この 前 駆 細胞 の 発生 過 程そ の も のが 解 明さ れ てい な か った か らで す 。[研究 の 内容 ]
そ こ で 我々 は 、腎 臓前駆 細 胞 の発 生 過程 を 解析 す る こと か ら始 め まし た 。発 生過 程 を 理 解 し、模倣 す る には 具 体 的に は ２つ の 要素 が 大 事に な りま す 。そ れ は、①「 どの よ う な 細胞 」に、②「ど の 成 長因 子 」が 働 けば 目 的 の細 胞（腎 臓 前駆 細 胞 ）に 向 かっ て 分 化 （成 熟 ）す る かと い う こと で す。 こ の 二 つの 要 素を 明 らか に す るた め に、ま ず将 来 腎 臓前 駆 細胞 に なる 予 定 の細 胞と さ れ て い る 「 中 間 中 胚 葉※ ８」 が 緑 に 光 る 遺 伝 子 改 変 マ ウ ス （ Osr1-GFP ノ ッ ク イ ン マ ウ ス※ ９）を 作成 し まし た 。この 中 間中 胚 葉細 胞 に 実際 に 様々 な 成長 因 子 を加 え て腎 臓 前 駆 細 胞の 作 製を 試 みま し た がう ま くい か ず、 代 わ りに 、 初期 段 階で Osr1 を 発 現し な い 細 胞群 の 中に 腎 臓前 駆 細 胞の 元 にな る 細胞 が 存 在す る こと が 示唆 さ れ まし た 。こ れ ま で 胎児 は ごく 初 期の 段 階 で全 身 のお お よそ の 形 が形 成 され 、それ が そ のま ま 大き く 成 長 する と 考え ら れて き ま した 。し か し近年 、胴体 の 下半 身 は頭部・胸部 が 出来 上 が っ た 後に 、下 半 身専用 の 細 胞「 体軸 幹 細胞」か ら作 ら れる と いう説 が 提 唱さ れ てい ま す（図 １ 参照 ）。そこ で 、実 際 にこ の 体 軸幹 細 胞 を含 む 領域 に 発現 す る 遺伝 子 改変 マ ウ ス （ T-GFP ノ ッ クイ ン マ ウス ） を用 い て解 析 し た結 果 、後 腎 間葉 は 下 半身 専 用の 細 胞 、 「体 軸 幹細 胞 」か ら 発 生す る こと を 初め て 見 出し ま した （ 図２ 参 照 ）。 こ う し て腎 臓 前駆 細 胞の 元 に なる 細 胞が 同 定さ れ た ため 、実際 に この 細 胞 をマ ウス の 胎 児 から 回 収し 、試験 管 内 で「 どの よ うな成 長 因 子」を加 え れば腎 臓 前 駆細 胞 にな る か を 検討 し まし た 。そ の 結 果、３つ の ス テッ プ に 分け て、計 ５ 種類 の 成 長因 子（ア ク チ ビ ン 、 Bmp、 Wnt、 レ チ ノ イ ン 酸 、 Fgf） を そ れ ぞ れ 組 み 合 わ せ と 濃 度 を 適 正 化 し て 加 え ると 効 率的 に 腎臓 前 駆 細胞 を 試験 管 内で 作 成 でき る こと が 分か り ま した（ 図２ 参 照 ） 。次 に マウ ス ES 細 胞 を 用い て 、 どのよ う な 成長 因 子を 加 えれ ば 腎 臓前 駆 細胞 の も と とな る 体軸 幹 細胞 が 作 成で き るか を 検討 し 、２ つ の ステ ッ プで 誘 導 でき る こと を 見 出 しま し た。実際に こ の 細胞 に、先 の成長 因 子 を加 え ると 、計５ ス テ ップ を 経て 腎 臓 前 駆細 胞 がで き るこ と が 分か り まし た （図 ３ 参 照） 。 ES 細 胞 か ら 前駆 細 胞が 出 来 たた め、次 に、腎 臓 が 機能 す るた め に必 要 な 糸球 体 と尿 細 管 と いう ３ 次元 構 造の 再 構 築を 試 みま し た。そ の 結 果 、これ ま でに マ ウ ス胎 児 の腎 臓 前 駆 細胞 か ら３ 次 元構 造 を 作成 す る際 に 用い ら れ てい た 方法（ Wnt を 分 泌 す る細 胞 、 も し く は 胎 児 の 脊 髄 と 一 緒 に 培 養 す る ） で 糸 球 体 と 尿 細 管 の 両 方 が 形 成 さ れ ま し た 。 つ ま り 、マ ウ ス胎 児 に存 在 す る腎 臓 前駆 細 胞と 同 等 の能 力 をも つ 細胞 が マ ウ ス ES 細 胞 か ら 作成 で きた こ とが 確 認 され ま した 。 さら に 、 ヒ ト iPS 細 胞で も 同 様の 方 法で 、 腎 臓 前 駆細 胞 、さ ら には 三 次 元の 腎 臓組 織 が作 成 で きま し た。 （ 図３ 、 ４ 参照 ） こ れ ま でに も 腎臓 前 駆細 胞 を 試験 管 内で 作 成し た と いう 報 告は あ りま し た が、その い ず れ もご く 少数 の 管様 構 造 の形 成 能し か 示さ れ て おら ず 、明 確 な糸 球 体 と尿 細 管を 含 む ３ 次元 の 腎臓 組 織を 作 っ たと い う報 告 は世 界 で 初め て であ り 、腎 臓 の 再生 医 療の扉 を 開 ける 成 果と 言 えま す 。
[今後 の 展開 ]
現 段 階 で は 再 生 組 織 を 移 植 す る こ と で 血 管 を ふ く む 三 次 元 構 造 ま で は 形 成 さ れ て い ま す が、実 際に そ こか ら 尿 を産 生 する 程 度に 機 能 的に 成 熟さ せ るに は 至 って い ませ ん 。今 後 はこ の 成 熟化を い か にし て 試験 管 内も し く は移 植 組織 で 実現 す る か 、ま た 尿 が 産 生 され た とし て その 尿 を 排出 す るた め の組 織（ 尿 管芽 ）を ど のよ う に して 作 成す る か と いう 課 題が 残 され ま す。ま た、これ らを す べ て実 現 でき た とし て も、そ こか ら 大 人 の 体 を 維 持 す る の に 必 要 な 大 き さ の 腎 臓 に ま で ど の よ う に 大 き く 成 長 さ せ る の か を 含 め て 考 え る と 依 然 臨 床 応 用 に は 相 応 の 時 間 が 必 要 と 考 え ら れ ま す 。 と は い え 、 今 回 の 成果 を きっ か けに 、こ れ まで 困 難 と考え ら れ てき た 腎臓 の 再生 医 療 研究 、さ ら に は 腎 臓病 の 原因 解 明と 新 薬 の開 発 が一 気 に加 速 す るも の と期 待 され ま す 。[参考 図 ］
図 １ ． 胎 児は 上半 身 か ら 先 に 形 作 ら れ 、 下 半 身 の 細胞 は体 軸幹 細胞 を経て
形 成 さ れ る
図 ２ ． 腎 臓は 下半 身 を 形 成 す る 細 胞 、 「 体 軸 幹 細 胞」 を経 て形 成さ れる
図 ３ ． 試験 管内 で の 腎 臓 作 成 手 順 の あ ら ま し
図 ４ ．（ 左上 ） マウ ス ES 細 胞 か ら作 成し た腎 臓組織
（ 右上 ） ヒ ト iPS細 胞 か ら 作 成 し た 腎 臓 組 織
（ 左下 ） マ ウ スES細胞 から 作成 し た 糸 球 体
（ 右下 ） ヒ ト iPS細 胞 か ら 作 成 し た 糸 球 体
[用語 解 説]
※ １ ES 細 胞： 受 精卵 か ら 作ら れ た万 能 細胞 ※ ２ iPS 細胞 ： 皮膚か ら 作 られ た 万能 細 胞 ※ ３ 糸球 体：腎 臓の機 能 単 位の 一 部で 、血液 を 濾 過す る ため の 毛細 血 管 の集 合 体と そ の 周 りを 覆 う糸 球 体上 皮 細 胞か ら 構成 さ れる ユ ニ ット ※ ４ 尿細 管：腎 臓の機 能 単 位の 一 部で 、糸球 体 で ろ過 さ れた 尿 の元 か ら、そ の中 に 含 ま れ る必 要 な栄 養 分や 水 分 を再 吸 収す る 管構 造 ※ ５ 腎臓 前 駆細 胞 ：糸 球 体 や尿 細 管な ど の腎 臓 の 大部 分 の元 に なる 細 胞 ※ ６ 体軸 幹 細胞 ： 初期 の 胎 児の 尾 部に 存 在し 、 体 の下 半 身を 形 作る 元 と なる 細 胞 ※ ７ 成長 因 子： 胎 児の 発 生 過程 に おい て その 形 成 をつ か さど る たん ぱ く 質 ※ ８ 中間 中 胚葉：マウ ス の 初期 の 発生 過 程に 存 在 する 、腎 臓 や生殖 器 の 元と な ると さ れ て いる 細 胞群 ※ ９ ノッ ク イン マ ウス：遺 伝 子改 変 技 術によ り 、蛍 光タ ン パ ク質な ど の 外来 遺 伝子 を 人 工 的に 組 み込 ん だマ ウ ス[論文 名 ]
Redefining the in vivo origin of metanephric nephron progenitors enables generation of complex kidney structures from pluripotent stem cells Cell Stem Cell on line Dec 12, 2013
Atsuhiro Taguchi, Yusuke Kaku, Tomoko Ohmori, Sazia Sharmin, Minetaro Ogawa, Hiroshi Sasaki, and Ryuichi Nishinakamura
