加齢関連疾患における幹細胞機能障害

引用：臨床試験における幹細胞療法：進歩と課題。トラウンソン、アラン他細胞幹細胞、第17巻、第1号、11〜22ページ。

多能性幹細胞は、その並外れた自己複製能力とさまざまな細胞型に分化する能力で知られています。老化プロセスが幹細胞に悪影響を及ぼすことを示唆する証拠が増えています。幹細胞が老化するにつれて、再生能力は低下し、さまざまな細胞型に分化する能力は低下します。加齢による幹細胞機能の低下は、多くの加齢性疾患の病態生理学に大きく寄与すると考えられています。老化が幹細胞機能にどのように影響するかを理解することは、加齢関連疾患の背後にあるメカニズムを把握するためだけでなく、将来の加齢に伴う疾患に対する効果的な幹細胞ベースの治療法を開発するためにも重要です。このレビューでは、さまざまな加齢関連疾患における幹細胞機能障害の基礎を探り、加齢によって引き起こされる幹細胞欠損症に対処するために開発中の潜在的な治療法について説明します。引用：World J Exp Med. 2017 Feb 20; 7（1）：1—10。「老化が幹細胞に及ぼす影響。」アブ・シュフィアン・イシュティアク・アーメド他

再生医療は、損傷した臓器を修復するために幹細胞療法と前駆細胞療法を使用する臨床応用に向けて進んでいます。肝臓と膵臓はいずれも内胚葉幹細胞集団に由来し、胆管（HbTSc）にある胆道幹細胞を共有しています。HbTScは、ニシン管内の肝幹細胞/前駆細胞の前駆細胞として、また膵管の前駆細胞として機能します。これらの細胞は、十二指腸から始まり、肝臓または膵臓の成熟細胞で終わる近位遠位軸と同様に、胆管壁内の放射軸に沿って成熟します。さまざまな肝疾患を有する患者さんの肝動脈への幹細胞移植の効果が、胎児の肝臓から採取された肝幹細胞/前駆細胞を用いて、臨床試験で検討されています。免疫抑制は必要ありませんでした。対照的に、すべての対照被験者は1年以内に死亡したか、肝機能の低下を経験しました。しかし、1億～1億5,000万個の肝幹細胞/前駆細胞を移植した被験者では、数年間、肝機能と生存率の改善が示されました。これらの移植の安全性と有効性はまだ評価されていません。HbTScを用いた糖尿病の幹細胞療法は研究段階にあるが、臨床応用の前にさらなる前臨床研究が必要である。さらに、間葉系幹細胞（MSC）と造血幹細胞（HSC）は、慢性肝疾患や糖尿病の患者の治療に使用されています。MSCは、栄養因子と免疫調節因子のパラクリン放出により有効であることが証明されていますが、成熟した実質細胞や膵島細胞に分化する能力には限界があります。HSCの影響は、主に免疫系の調節に起因します。

幹細胞。2013 年 10 月 31 日 (10): 2047-60。doi: 10.1002/stem.1457。「簡潔なレビュー：肝臓と膵臓の幹細胞療法の臨床プログラム。」ランゾーニG1、及川T.

幹細胞移植による回復効果は、主に2つの経路で起こります。1つは血管新生因子とサイトカインの分泌によるもので、もう1つは幹細胞の組織特異的細胞への移植と分化です。幹細胞は、血管新生因子とサイトカインの局所分泌と発現を促進し、微小循環系の再構築、血流の改善、膵島β細胞機能の強化を助け、糖尿病性末梢動脈疾患（PAD）の緩和に役立ちます。さらに、幹細胞は内皮細胞に分化できるため、内皮細胞の機能障害の回復が促進されます。これらの影響は、miRNAと細胞外小胞（MEX）の影響を受ける可能性があります。

MSC移植による糖尿病性創傷治癒は、主に3つの経路で起こります。1つ目は血管新生と因子とサイトカインの分泌、2つ目は免疫系の調節、3つ目は移植して組織特異的細胞に分化することです。幹細胞は、血管新生因子とサイトカインの局所分泌と発現を促進し、糖尿病性末梢動脈疾患（PAD）と糖尿病の改善に貢献します。さらに、幹細胞はT細胞、ナチュラルキラー細胞、マクロファージ、樹状細胞の活性を調節し、感染症や炎症反応を抑制します。また、MSCは標的組織に分化できるため、修復が容易になります。これらの影響は、miRNAと細胞外小胞（MEX）に関連している可能性があります。

幹細胞移植の回復効果は、血管新生因子、サイトカイン、神経栄養因子の分泌と、組織特異的細胞への移植と分化という2つの主要な経路を通じて起こります。幹細胞は、血管新生因子とサイトカインの局所分泌と発現を促進し、糖尿病性末梢動脈疾患（PAD）と糖尿病の改善を助け、糖尿病性ニューロパチーの緩和につながります。また、神経栄養因子は神経線維機能の回復と神経伝導の改善にも役立ちます。さらに、幹細胞は標的組織に分化して修復を促進します。

上：腎臓セグメントの代表的なマイクロコンピューター断層撮影画像は、4週間前に脂肪組織由来のMSCの副腎注入を行い、経皮的経管腎血管形成術（PTRA）を受けたアテローム硬化性腎動脈狭窄症（ARAS）ブタの微小血管構造の改善を示しています。下：腎臓組織のトリクローム染色では、ARAS+PTRA+MSC処理ブタの線維化が減少していることが示されています（×40、青）。

糖尿病におけるMSCの臨床応用：幹細胞移植は、糖尿病（DM）患者の安全で効果的な治療法として有望であることが示されています。さまざまな試験の中で、1型糖尿病（T1DM）に対するD34+造血幹細胞（HSC）療法で最良の結果が観察され、最悪の結果は糖尿病性ケトアシドーシスが治療効果を妨げていたT1DMのヒト臍帯血（HUCB）療法で観察されました。

1型糖尿病（T1DM）患者の幹細胞治療後3か月、6か月、12か月後のベースライン時のC-ペプチドとHbA1cレベルの変化を示す折れ線グラフ。データは平均±SEMで表され、****はP < 0.0001を示す。

(E-F) T2D患者は膵臓にUCBとBM-MNCを注射され（n = 3とn = 107）、UC-MSCとPD-MSCは静脈内注射されました（それぞれn = 22とn = 10）。ベースライン時、治療後3か月、6か月、12か月におけるC-ペプチドおよびHbA1cレベルの変化を示す折れ線グラフ。

引用:PLO One. 2016 年 4 月 13 日; 11 (4)

。糖尿病に対する幹細胞療法の臨床効果：メタアナリシス。エル・バダウィ A、エル・バドリ N.

Nat Communm. 2012 年 4 月 17 日; 3:784。doi: 10.1038/ncomms1784。
幹細胞とそのニッチの再配列による完全に機能する毛包の再生。
豊島KE、浅川健一、石橋直樹、土岐秀樹、小川正明、長谷川徹、入江徹、立川徹、佐藤A、武田A、辻T.

概要
臓器置換再生医療は、近い将来、病気、怪我、加齢によって損傷を受けた臓器の置換を可能にすることが期待されています。本研究では、バイオエンジニアリングによる骨と胞子胚の皮内移植による完全な臓器再生が実証されました。胚葉と胚珠は、それぞれ胚性皮膚由来細胞と成体幹細胞領域由来細胞を用いて再構成されます。バイオエンジニアリングされた毛包は適切な構造で発達し、表皮、後肢の筋肉、神経線維などの周囲の宿主組織と機能的なつながりを形成します。これらのバイオエンジニアリングされた毛包には、毛周期と毛形成も見られますが、毛包幹細胞とそのニッチの再編成によって回復します。この研究は、成体組織由来の毛包幹細胞をバイオテクノロジーによる臓器置換療法に利用することの可能性を浮き彫りにしました。

(a) バイオエンジニアリングされた毛包胚の作成と移植の手順の概略図。(b) ナイロン糸 (矢じり) を用いた臓器胚法を用いて再構築した、マウス胚由来の背側皮膚、組織、解離した単一細胞、およびバイオエンジニアリングされた毛包胚の位相コントラスト画像。スケールバー:200 μm。(c) 成体マウスから分離した触手の組織学的分析。剛毛の肉眼的染色とH&E染色は、左の2枚のパネルに示されている。肉眼観察 (左) とH&E染色 (右) の赤い破線は、バルジ領域とSB領域の界面を示しています。H&Eで染色された左パネルのボックス領域は、高倍率パネルで強調表示されているバルジ領域とSB領域を示しています。膨らんだ領域は、抗CD49F（赤、左）および抗CD34（赤、中央）抗体、およびヘクスト33258色素（青）で免疫染色されました。高倍率H&E画像の黒い破線は、濾胞上皮の界面を示しています。IF = じょうご、RW = 環状体、毛包の半分。スケールバー:100 μm。(d) 触覚弁領域およびDP細胞における初期再生の組織学的分析およびALP分析毛球 (左2枚) と培養DP細胞 (右2枚) をALP酵素染色を用いて分析しました。赤い点線はオーベルの線を示しています。スケールバー:100 μm。(e) 上皮間組織連動プラスチック装置（ガイド付き）を介して、発疹および成長中のバイオエンジニアリング毛髪の縦断面図。対応する画像は、移植後14日目のバイオエンジニアリング毛包における細胞形成を示している（ガイドなし）。移植後0日目、3日目、14日目のH&E染色は下部に示されています。スケールバー:100 μm。(f) 移植直後の創傷治癒（左）、3日目（中央）、14日目と37日目の毛幹の摘出。胸部 (上部) と脾臓 (下部) の成長を含む、バイオエンジニアリングによる毛包の発達過程における毛の成長のマクロ構造観察。スケールバー:1.0 mm

（a）バイオエンジニアリングされた毛（上部）および触手（中央）の小胞の組織学的および免疫組織化学的分析。低倍率H&Eパネルのボックス領域は、右側のパネルに高倍率で表示されています。矢印は皮脂腺を示しています。スケールバー:100 μm。バイオエンジニアリングされた毛包を抗バーシカン（左下）およびα-SMA（矢じり、右下）抗体で免疫染色し、ALP抗体（中央下）を酵素染色しました。スケールバー:50 μm。(b) バルジ由来の上皮細胞とヒトの頭皮毛包から抽出された無傷の毛乳頭 (DP) で再構成された、生物学的に処理された毛包胚の移植によって作られたバイオエンジニアリングされたヒトの毛髪。バイオエンジニアリングによって形成されたヒトの毛髪は、移植後21日目に撮影され、H&E染色によって分析されました。右のパネルは、核の形態学的特徴に基づいたバイオエンジニアリングされた毛包の種同定を示しています。はめ込み部分が高倍率で表示されています。スケールバー:顕微鏡 500 μm、H&E 100 μm、核染色 20 μm。(c) バイオエンジニアリングされた濾胞病原体の高密度皮内移植。合計28個の独立したバイオエンジニアリング毛包細菌がマウスの子宮頸部皮膚に移植され、移植後21日目に高密度の毛髪成長が見られました。スケールバー:5 mm。

バイオエンジニアリングされた毛と触手は、宿主細胞またはドナー細胞に由来する神経線維やリトラクター筋、横紋筋などのさまざまな組織と統合されました。バイオエンジニアリングされた毛髪は、NPNTを発現する膨らんだ領域が自然な構造に似た状態で再生されるため、平滑筋との関連が認められた。しかし、バイオエンジニアリングされた毛髪の膨らんだ領域では、NPNTの発現も平滑筋の付着も観察されませんでした。

出典：豊島健一、浅川健一、石橋直樹、土岐秀樹、小川正明、長谷川徹、入江徹、立川徹、佐藤明、武田明、辻徹（2012）。幹細胞とそのニッチの再配列による毛包の全機能再生 ネイチャー・コミュニケーションズ、3、784。 https://doi.org/10.1038/ncomms1784

パーキンソン病（PD）の研究と治療のための幹細胞の誘導、分化、および応用を示す概略図。幹細胞は、ESC、NSC、MSC、iPSCの4つのグループに分類でき、それぞれ全能性が徐々に低下します。（1）主に胚盤胞に由来するESCは、通常の条件下で3つの胚層（内胚葉、中胚葉、外胚葉）すべてに分化する能力を備えています。ESCは、NSCとMSCに分化するように誘導することもできます。（2）特定の脳ニッチから分離された、または線維芽細胞から再プログラムされたNSCは、ニューロンやほぼすべてのグリア細胞を含む神経系統に分化できます。（3）主に間葉系組織に由来するMSCは、ほぼすべての中胚葉由来細胞に分化できます。注目すべきことに、MSCは特定の誘導プロトコルの下でドーパミン作動性（DA）ニューロンになるように誘導することもできます。（4）OSKM因子（Oct 3/4、Sox2、Klf 4、c-Myc）を導入することにより、成人の体細胞（線維芽細胞など）から再プログラムされたiPSCは、有望な幹細胞源です。Good Manufacturing Practice（GMP）基準に基づいて、これらの幹細胞とその末端分化誘導体をさらに選別、精製、および疾患モデリング、薬物スクリーニング、臨床再生療法（CRT）などのさまざまな用途に拡張できます。例えば、ESC、MSC、NSC、およびDAニューロンは、PDモデルの作成、薬物スクリーニング、PDのCRT治療に使用されます。

出典：シェン・Y.、フアン・J.（2016）。パーキンソン病における幹細胞の調製と応用の概要：現状と将来の展望 老化神経科学のフロンティア。 2016 年 5 月 31 日。