科学者たちは幹細胞から400種類以上の神経細胞を培養した

神経細胞は単なる神経細胞ではありません。最新の推定によると、人間の脳には数百、あるいは数千もの異なる種類の神経細胞が存在すると考えられています。これらの種類は、機能、突起の数と長さ、そして互いの結合方法が異なります。神経細胞はシナプスに異なる神経伝達物質を放出し、脳の領域（例えば大脳皮質や中脳）に応じて、異なる種類の細胞が活動します。

科学者が実験のためにペトリ皿で幹細胞から神経細胞を培養していた当時は、この多様性の全てを説明することは不可能でした。最近まで、研究者たちは数十種類の神経細胞を試験管内で培養する方法を開発していました。そのために、遺伝子工学的手法を用いたり、シグナル伝達分子を添加して特定の細胞内シグナル伝達経路を活性化したりしていました。しかし、体内に存在する数百、数千もの異なる種類の神経細胞の多様性を捉えることには、到底及びませんでした。

「幹細胞由来のニューロンは、疾患の研究によく用いられます。しかしこれまで、研究者はどの種類のニューロンを扱っているのかをしばしば無視してきました」と、バーゼルにあるETHチューリッヒ校生物システム科学工学部のバーバラ・トロイトライン教授は述べています。

しかし、これはこのような仕事に対する最善のアプローチではないと彼女は言います。

「アルツハイマー病、パーキンソン病、うつ病などの疾患や障害を研究するための細胞モデルを開発したい場合、病理学的プロセスに関与する特定の種類の神経細胞を考慮する必要があります。」

成功の鍵となる体系的なスクリーニング

トロイトライン氏と彼女のチームは現在までに400種類以上の神経細胞の生成に成功し、細胞培養を用いたより正確な基礎神経学研究への道を開いた。

ETHの研究者たちは、血液細胞由来のヒト人工多能性幹細胞の培養を用いてこれを実現しました。これらの細胞において、特定の神経制御遺伝子を遺伝子操作し、様々なモルフォゲン（シグナル伝達分子の一種）で処理しました。Treutleinらの研究チームは、スクリーニング実験において7種類のモルフォゲンを異なる組み合わせと濃度で用いるという体系的なアプローチを採用しました。これにより、最終的に約200通りの異なる実験条件セットが得られました。

モルフォゲン

モルフォゲンは、胚発生研究で知られるシグナル伝達物質です。胚体内に不均一に分布し、濃度の差によって空間的な勾配を形成します。これにより、胚内の細胞の位置を決定します。例えば、細胞が体軸に近いのか、それとも背部、腹部、頭部、あるいは胴体部に位置するのかを決定します。したがって、モルフォゲンは、体の様々な部位でどのような構造が形成されるかを決定するのに役立ちます。

科学者たちは様々な分析技術を用いて、実験で400種類以上の神経細胞を採取できたことを実証しました。彼らは個々の細胞レベルでRNA（ひいては遺伝子活性）を解析するとともに、細胞の外観や機能、例えばどのような細胞突起を持ち、どのような電気神経インパルスを発しているかなどを研究しました。

研究者たちは、得られたデータをヒト脳ニューロンのデータベースの情報と比較しました。これにより、生成された神経細胞の種類（末梢神経系細胞や脳細胞など）や、それらが脳のどの領域から来たのか、そしてこれらの細胞が痛み、冷たさ、動きなどを感知する役割を担っているのかを特定することができました。

活性物質の探索のための試験管内ニューロン

トロイトライン氏は、体内に存在するすべての種類の神経細胞を試験管内で作製できるまでにはまだ程遠いと述べた。しかし、研究者たちは現在、以前よりもはるかに多くの種類の細胞にアクセスすることができるようになった。

彼らは、体外で培養したニューロンを用いて、統合失調症、アルツハイマー病、パーキンソン病、てんかん、睡眠障害、多発性硬化症といった重篤な神経疾患の研究のための細胞モデルを開発したいと考えています。このような細胞モデルは医薬品研究においても大きな関心を集めており、動物を用いることなく細胞培養で新規活性化合物の効果を試験することが可能です。最終目標は、将来これらの疾患の治療法を発見することです。

将来的には、これらの細胞は、病気の脳神経細胞や死んだ脳神経細胞を新しいヒト細胞に置き換える細胞補充療法にも使用される可能性があります。

しかし、それを実現する前に解決すべき問題があります。研究者たちは実験において、しばしば複数の異なる種類の神経細胞を混合して生成していました。現在、彼らは実験条件ごとに特定の種類の細胞のみが生成されるように手法を最適化することに取り組んでいます。そのための方法について、すでにいくつかの初期的なアイデアが浮かんでいます。