幹細胞研究を一変させる"ビレッジ アプローチ"：幹細胞研究が100倍効率化

この革新的な手法、「皿の中のビレッジ」システムでは、多数のドナーから採取した幹細胞を同じ培養皿の中で同時に培養・研究することができます。これによって研究が加速され、研究の効率が100倍にも向上するとのことです。

ガーバン研究所の細胞科学部長であり、UNSW細胞ゲノム未来研究所（オーストラリア、シドニー、ニューサウスウェールズ大学）の所長であり、この研究の上級著者であるジョセフ・パウエル（Joseph Powell）教授は、「私たちはDNAの大部分を共有しているにもかかわらず、遺伝子の変異がユニークな形質や反応につながっています。このビレッジのシステムは、この多様性を大規模に捉え、人々の間の遺伝子の違いが、生物学や病気の根底にある複雑なメカニズムにどのように影響しているかを明らかにします」と述べています。

これまでの集団ゲノミクスの研究は、バルクRNAシーケンスという技術を用いて遺伝子発現を評価してきました。しかし、この方法では個々の細胞や細胞タイプの違いが隠れてしまい、遺伝子発現の見方が不完全であり、不正確な結論につながる可能性もあります。

この課題に対処するために、研究者らは複数のドナーから採取した幹細胞を1つのディッシュで培養し、シングルセルシーケンスという技術を用いて解析する「ビレッジ」アプローチを開発しました。この方法により、個々の培養細胞の特徴を保持しつつ、集団の正確なスナップショットを得ることができるようになり、実験を効率的にスケールアップすることが可能となりました。

ヒト生物学を学ぶための強力な環境

ビレッジ・イン・ア・ディッシュ（village-in-a-dish）法は、一般的にはアクセスが難しいヒト臓器システムの大規模な研究を可能にします。複数の個人から臓器特異的な細胞を作製することで、生きた組織サンプルを入手する必要がなくなり、限られた個人の細胞だけを研究する際の制約を克服することができます。例えば、数千人もの個人から心臓の細胞を作製することで、心臓の状態に関する洞察を得ることができるでしょう。

医学研究はしばしば動物モデルに頼ることがありますが、動物モデルはヒトの完全な生理学的代替とはなりません。一方、人工多能性幹細胞（iPSC）は、患者の血液サンプルから作製することができ、患者の完全なDNAプロフィールを提供し、その後、人体内のほぼすべての細胞型に分化させることが可能です。パウエル教授は、「基礎科学の観点からは、幹細胞を用いたシステムは、動物モデルでは得られないヒトの遺伝学と生物学の関係についての洞察を得るための強力な手段です」と述べています。

培養皿からクリニックへ

ガーバン医学研究所の開発したビレッジ・イン・ア・ディッシュ法は、患者グループが薬にどのように反応するかを予測し、新しい治療法の発見を可能にする臨床試験を迅速に行うことができるとされています。

この研究の筆頭著者であり、ガーバンの博士研究員であるドリュー・ニーヴィン（Drew Neavin）博士は、「一度に多くの個体の細胞を研究することで、病気や治療反応に影響を与える遺伝的要因を、これまでにない規模で特定することができます」と述べています。

例えば、パーキンソン病における心臓毒性やレビー小体の蓄積を、患者由来の数百の細胞株で評価することが可能とされています。こうした研究により、一個人を反映するのではなく、遺伝子グループ間で共有され、かつ異なる反応を明らかにすることができます。このような知見から、臨床試験で恩恵を受けそうな患者集団を事前に選択し、臨床試験に役立てることができるとの見方が示されています。

この研究は2023年6月9日にNature Communications誌に掲載されたものであり、オープンアクセス論文のタイトルは、「A Village in a Dish Model System for Population-Scale hiPSC Studies（集団スケールhiPSC研究のためのディッシュの中のビレッジモデルシステム）」です。この研究は、クイーンズランド大学、メルボルン大学、メンジーズ研究所の研究パートナーとの大規模な共同研究の一環として行われました。

ガーバン研究所のパウエル教授は、「私たちのビレッジシステムが、複雑な形質や病気の遺伝的基盤について、これまでにない洞察を得るためにどのように利用され、精密な診断やオーダーメイドの治療、そしてすべての人の健康増進につながるのか、私たちは楽しみにしています」と述べています。

[News release] [Nature Communications article]