もし自分の皮膚細胞が、失われた神経細胞の代わりになれるとしたら？そんな再生医療の夢を大きく前進させる画期的な技術が、マサチューセッツ工科大学（MIT）で生まれました。これまで細胞の種類を変えるには、iPS細胞のような「万能細胞」を経由する必要がありましたが、MITの研究チームは、皮膚細胞から直接、神経細胞へと「ワープ」させるかのような新たな手法を開発。しかも、マウス実験では、1つの皮膚細胞から10個以上のニューロンを作り出すという驚異的な効率を達成しました。この「ダイレクトコンバージョン」技術がヒト細胞にも応用できれば、脊髄損傷やALSといった難病に苦しむ患者さんのための運動ニューロンを大量に供給できる道が開けるかもしれません。2025年3月13日に「Cell Systems」誌で発表されたこの研究は、細胞置換療法の未来を明るく照らしています。
「私たちは、これらの細胞が細胞置換療法の実行可能な候補となりうるかどうかという問いを発することができるほどの収率に到達できました。そうなってほしいと願っています。このような種類の再プログラミング技術が私たちをそこへ導いてくれるのです」と、MITのW. M. ケック生物医学工学・化学工学キャリア開発教授であるケイティ・ギャロウェイ博士（Katie Galloway, PhD）は述べています。
これらの細胞を治療法として開発するための第一歩として、研究者らは運動ニューロンを生成し、それらをマウスの脳に移植したところ、宿主組織と統合することを示しました。
ギャロウェイ博士は、この新しい方法を記述した2つの論文の責任著者であり、MITの大学院生であるネイサン・ワン氏（Nathan Wang）が両論文の筆頭著者です。
皮膚からニューロンへ
約20年前、日本の科学者たちは、4つの転写因子を皮膚細胞に導入することで、それらを人工多能性幹細胞（iPS細胞: iPSCs, induced pluripotent stem cells）へと誘導できることを示しました。胚性幹細胞と同様に、iPS細胞は他の多くの細胞タイプに分化できます。この技術はうまく機能しますが、数週間かかり、多くの細胞が最終的に成熟した細胞タイプへと完全に移行するわけではありません。
「再プログラミングにおける課題の一つは、細胞がしばしば中間状態で行き詰まってしまうことです」とギャロウェイ博士は言います。「そこで私たちは、iPS細胞という中間段階を経ずに、体細胞から直接運動ニューロンへと変換するダイレクトコンバージョンを用いています」。
ギャロウェイ博士の研究グループなどは以前にもこのタイプのダイレクトコンバージョンを実証していましたが、収率は非常に低く、1%未満でした。ギャロウェイ博士の以前の研究では、6つの転写因子と細胞増殖を刺激する他の2つのタンパク質の組み合わせを使用していました。これらの8つの遺伝子はそれぞれ別のウイルスベクターを用いて導入されたため、各細胞でそれぞれが正しいレベルで発現していることを確認するのが困難でした。
新しい「Cell Systems」誌の2つの論文のうち最初の論文「Proliferation History and Transcription Factor Levels Drive Direct Conversion to Motor Neurons（増殖履歴と転写因子レベルが運動ニューロンへの直接変換を駆動する）」で、ギャロウェイ博士と彼女の学生たちは、皮膚細胞をわずか3つの転写因子と、細胞を高度な増殖状態に導く2つの遺伝子を用いるだけで運動ニューロンに変換できるようにプロセスを合理化する方法を報告しました。
マウス細胞を用いて、研究者らは当初の6つの転写因子から始め、一つずつ除外していく実験を行い、最終的にNGN2、ISL1、LHX3という3つの組み合わせでニューロンへの変換を成功裏に完了できることを見出しました。
遺伝子の数が3つに減ると、研究者らは単一の改変ウイルスを用いて3つすべてを導入できるようになり、各細胞が各遺伝子を正しいレベルで発現することを保証できるようになりました。
別のウイルスを用いて、研究者らはp53DDと変異型HRASをコードする遺伝子も導入しました。これらの遺伝子は、皮膚細胞がニューロンに変換し始める前に何度も分裂するように促し、ニューロンの収率を約1,100%も大幅に向上させました。
「もし非増殖性の細胞で転写因子を非常に高いレベルで発現させたとすると、再プログラミング率は非常に低くなるでしょう。しかし、過剰増殖性の細胞はより受容性が高くなります。まるで変換のために増強されたかのようで、その後、転写因子のレベルに対してはるかに受容的になるのです」とギャロウェイ博士は言います。
研究者らはまた、ヒト細胞を用いて同じダイレクトコンバージョンを実行できる、わずかに異なる転写因子の組み合わせも開発しましたが、効率は研究者らの推定で10～30%と低くなりました。このプロセスは約5週間かかり、これは細胞をまずiPS細胞に変換してからニューロンにするよりもわずかに速いです。
細胞の移植
導入する遺伝子の最適な組み合わせを特定した後、研究者らはそれらを導入する最良の方法に取り組み始めました。これが、「セル・システムズ」誌の2番目の論文「Compact Transcription Factor Cassettes Generate Functional, Engraftable Motor Neurons by Direct Conversion（コンパクトな転写因子カセットは直接変換により機能的で生着可能な運動ニューロンを生成する）」の焦点です。
彼らは3種類の異なる送達ウイルスを試し、レトロウイルス（retrovirus）が最も効率的な変換率を達成することを発見しました。シャーレで培養する細胞の密度を下げることも、運動ニューロンの全体的な収率向上に役立ちました。マウス細胞で約2週間かかるこの最適化されたプロセスは、1,000%を超える収率を達成しました。
ボストン大学の同僚と協力し、研究者らは次に、これらの運動ニューロンがマウスにうまく生着できるかどうかをテストしました。彼らは、運動制御やその他の機能に関与する線条体として知られる脳の部位に細胞を送達しました。
2週間後、研究者らは多くのニューロンが生存し、他の脳細胞と接続を形成しているように見えることを発見しました。シャーレで培養すると、これらの細胞は測定可能な電気活動とカルシウムシグナル伝達を示し、他のニューロンとコミュニケーションする能力を示唆しました。研究者らは現在、これらのニューロンを脊髄に移植する可能性を探求したいと考えています。
MITのチームはまた、ヒト細胞変換におけるこのプロセスの効率を高めたいと考えており、これにより、脊髄損傷や、ALS（筋萎縮性側索硬化症）のような運動制御に影響を与える疾患の治療に使用できる大量のニューロンを生成できる可能性があります。ALSを治療するためにiPS細胞由来のニューロンを用いた臨床試験が現在進行中ですが、そのような治療に利用できる細胞の数を増やすことで、ヒトでのより広範な使用のための試験や開発が容易になる可能性があるとギャロウェイ博士は述べています。
[News release] [Cell Systems article 1] [Cell Systems article 2]
