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中枢神経系の再生医療の現状と展望

2010年 8月23日

岡野 栄之

岡野 栄之:慶應義塾大学医学部・生理学教室 教授

1983年04月 慶應義塾大学医学部生理学教室・助手
1985年08月 大阪大学蛋白質研究所・助手 
1989年10月 米国ジョンス・ホプキンス大学 医学部生物化学教室に留学
1991年10月 大阪大学蛋白質研究所・助手 
1992年04月 東京大学医科学研究所化学研究部・助手
1994年09月 筑波大学基礎医学系分子神経生物学・教授
1997年04月 大阪大学医学部神経機能解剖学研究部・教授
2001年04月 慶應義塾大学医学部生理学教室・教授
2007年10月 慶應義塾大学大学院医学研究科委員長
2008年07月 グローバルCOEプログラム「幹細胞医学のための教育研究拠点」
2009年11月 紫綬褒章・受章

 2010年6月30日、厚生労働省「ヒト幹細胞を用いる臨床研究指針」の改正が委員会で決議され、人工性多能性幹細胞(induced pluripotent stem cells, iPS cells)を用いた臨床研究が、自家・他家を問わず、この指針の対象となった。これは、我が国の再生医療の今後の進展にとって,大きな一歩となるものと考えられる。一方、胎児由来幹細胞や胚性幹細胞(ES細胞)は、今もこの指針の対象外である。海外では、ES細胞を用いた治験がまもなくスタートしようとしている。このような激変する国内外の情勢下での、中枢神経系の再生医療の現状と今後の展望を整理してみたい。

 中枢神経系(脳と脊髄)は、再生が困難な臓器の代表例と考えられてきた。しかしながら、我々を含むいくつかのグループにより、ヒトを含めた哺乳類の成体の中枢神経系にも幹細胞が存在し、成体の脳内でニューロン新生が起きるとが示されてからこの状況は、大きく変わりつつある(Roy et al., 2000; Okano and Sawamoto, 2008; Okano, 2010)。中枢神経系の再生というと、① 神経軸索の再生、②疾患によって失われた細胞の補充、③機能解析という3つの側面を意味している(Okano, 2003)。これまで不可能と考えられていた中枢神経の再生を可能にし、それを医療として発展させるには、発生現象の再現を誘導するという基本コンセプトに基づいた戦略が必要となることは間違いないであろう。ここでは、中枢神経系の再生医療に到る基礎研究・現状を紹介し、今後の展望について議論したい(岡野, 2009)。

I. 脊髄再生研究の進展

 現時点で、我が国においては、脊髄損傷に対する可能な治療法は、ステロイド早期大量投与により損傷直後の脊髄の二次損傷を最小限に抑え、必要に応じて脊髄の除圧と脊椎の再建を行い、早期のリハビリにより残存する機能を最大限に引き出すことにとどまっている。損傷された脊髄そのものを再生させる治療法は、いくつかの先端的な臨床研究が散見されるものの、政府機関などで承認されるような一般的な治療法となっているものは、現時点では存在しない。

 しかし、基礎研究においては幾つかのブレイク・スルーとなるような研究が、1980年代頃から報告され始めている。その一つが、損傷脊髄に対する胎児脊髄移植である(Reieret al.,1983)。切断したラット脊髄に胎児脊髄を移植し損傷軸索の再生と機能回復が得られること、さらに神経栄養因子の併用や軸索伸展阻害因子を抑制することによりその再生が促進されることが報告され、それまで信じられてきた“損傷脊髄は再生しない”という通説を覆す大きなインパクトを有するものであった。しかし、胎児脊髄移植の臨床応用は、ドナー不足と倫理的な問題のため、非現実的である。

 一方、“自己複製能”と“多分化能”を有する神経幹細胞が新しい移植材料として、近年注目されている。その理由は、目的とする神経幹細胞を手に入れることができれば、培養器内で増殖させることにより移植に必要十分な細胞を確保することが出来、ドナー不足の問題を解消することができるからである。そこで私達は、10年程前から新生および成体ラット脊髄損傷に対する神経幹細胞移植の研究を開始した。その結果、新生ラット損傷脊髄では移植神経幹細胞はニューロンとオリゴデンドロサイトに分化し、さらに損傷軸索の再生と運動機能回復を促進することが明らかとなった(Nakamura et al., 2002)。一方、成体ラットでは、損傷脊髄内の微小環境の検討より損傷後9日目に神経幹細胞移植を行い、これまで成体ラットではみられなかったニューロンへの分化とシナプス形成、さらに、運動機能の回復が得られることを明かにし、脊髄損傷に対する神経幹細胞移植の臨床応用に向けて確かな手応えを得ることができた。しかしながら、齧歯類の脊髄の構造と機能は、我々ヒトを含む霊長類と大きく異なっている。そこで、私達の研究グループは、ヒトへの臨床応用を目指して、小型霊長類・コモン・マーモセットを用いて、頚髄圧座損傷による脊髄損傷モデルを確立した(Iwanami et al., 2005a)。この霊長類脊髄損傷モデルを我々はフルに活用し、脊髄損傷動物に対して、ヒト胎児由来神経幹細胞移植を損傷後9日目に行った。2ヶ月後、移植したヒト胎児由来神経幹細胞は損傷部周囲に生着し、さらに頭尾側に移動し、ニューロン、オリゴデンドロサイト、アストロサイトへと分化していることを確認した(Iwanami et al., 2005b)。運動機能評価においても移植群では非移植群と比較して有意な3次元自発運動量と上肢筋力の改善が得られた。脊髄損傷動物に対する神経幹細胞移植による機能回復のメカニズムとして、

①移植した神経幹細胞由来の介在ニューロンによる損傷脊髄内の局所神経回路網の部分的な修復、

②移植した神経幹細胞由来の幼弱なアストロサイトが産生する神経栄養因子・サイトカイン・細胞増殖因子や細胞外マトリックスによる細胞非自律的な栄養効果(宿主神経軸索の再生誘導、血管新生誘導)、

③移植した神経幹細胞由来のオリゴデンドロサイトによる宿主神経軸索の再髄鞘化などが考えられる。

 以上の研究結果は、将来における神経幹細胞移植の臨床応用の実現に向けた大きな一歩といえるであろう。しかし、我が国の「ヒト幹細胞を用いた臨床研究指針」では、改正後も、胎児由来の体性幹細胞は対象外であり、モラトリアム状態もしくは事実上の禁止状態が続いる。それに対して、我々は成体組織由来の神経堤幹細胞(Nagoshi et al., 2008)、ES細胞由来神経幹細胞、iPS細胞由来神経幹細胞に活路を見いだし、これらの細胞を用いた基礎研究・前臨床研究を進めている。

 2006年に京都大学の山中伸弥教授らにより、マウスのiPS細胞(Takahashi and Yamanaka, 2006)が、そして翌年の2007年にヒトiPS細胞(Takahashi et al., 2008)が樹立された。iPS細胞は体細胞に多能性誘導因子を導入することで樹立され、神経、心筋細胞などに分化する多能性を持ちます。免疫拒絶や倫理的な問題が回避されると考えられ、将来の再生医療への応用に大きな期待が集まっている。そこでiPS細胞の脊髄損傷への応用に向け慶應義塾大学と京都大学との共同研究チームが発足し、まず安全性についての厳格な評価を行い、安全性の担保されたiPS細胞クローンから誘導された神経幹細胞(ニューロスフェア)移植の脊髄損傷への治療効果が証明された(Tsuji et al., 2010)。これまでの解析からiPS細胞由来神経前駆細胞の腫瘍源性は、iPS 細胞樹立時の起源細胞に依存しており(Miura et al., 2009)、成体線維芽細胞より樹立されたiPS細胞由来の神経幹細胞の損傷脊髄への移植により、安全なiPS細胞株とそうでない細胞株の差が明瞭となった。 このことは、iPS細胞を用いた再生医療において安全な細胞株を前もって準備するという他家移植の重要性を示唆している。運動機能の回復のメカニズムは、前出の神経幹細胞移植とほぼ同様のメカニズム(①~③)によるものと考えられる。現在、私達はヒトiPS細胞由来の神経幹細胞を用いた脊髄損傷モデルへの移植実験を進めている。

 さらに、現在脊髄損傷に苦しむ多くの患者さんが完全損傷後の慢性期であることを考えると、損傷部に形成され軸索再生を阻む壁“グリア瘢痕組織”を克服し、完全脊髄損傷モデルにおいても神経幹細胞移植の有効性を立証することも必要であろう。

II.脊髄損傷等を対象とした治験・臨床研究の世界情勢

 脊髄損傷を対象とした臨床試験については、統計処理と自然回復、治療効果の定量的な評価、患者の選択・除外規準、臨床研究における倫理問題、臨床研究のデザインの方法などに関する基本的な考え方に関するコンセンサスが国内的なコミュニティーにより出来つつあり、それに則ったとガイドラインが整備されて来た(Fawcett at al., 2007; Steeves at al., 2007; Tuszynski et al., 2007; Lammertse et al., 2007)。しかしながら、国際的にこれまで行われてきた脊髄損傷を対象とした臨床研究が、必ずしもこのガイドラインに合致した規準で行われてきた訳ではないというのが実情である。次に現在、世界でやがて開始される予定の臨床研究、また現在実施されているあるいは過去に実施された脊髄損傷等を標的とした細胞治療を紹介したい(岡野, 2009; Steeves et al., 2004)。

①マクロファージの自己移植:

 イスラエルのDavid Snyderらのグループ(Proneuron Biotechnologies社)を中心として行われており、活性化された自己マクロファージによる脊髄損傷によって生じたミエリンの残骸の貪食によって、軸索再生阻害因子が除去されることにより神経再生が誘導されることを狙いとしている。第I相試験は完了し、第II相試験は一部のみに完了しているものの、担当バイオベンチャーの資金不足につき、保留中である。前臨床研究レベルでは、活性化マクロファージ移植による治療の功罪について賛否両論があり、エビデンスとしては限定的である。

②骨髄間質細胞移植:

 この治療法の作用機構としては、もっぱら同細胞が産生する分泌因子あるいは膜タンパク質による栄養効果と考えられる。我が国においても大学機関での臨床研究はスタートしているが、現在Nの数が少なく、安全性と有効性については結論できない状況である(Saito et al., 2008)。また、ブラジルにて第II相試験を実施中である。前臨床研究レベルでは、移植後の細胞の運命や役割について賛否両論があり、エビデンスとしては限定的である。尚、これまで骨髄間質細胞については、接着培養法によって増殖してくる細胞として取られ得られており、「幹細胞」がどの程度含まれているか?その分化能はいかほどであるか?といった基本的な性状解析が乏しかった。このようなcrudeな状態の細胞集団を移植しても効果がまちまちでることは当然であろうと考えられる。今後,培養を経ず、純化した間葉系幹細胞を用いた臨床応用が期待される。

③胎児の嗅球の皮層細胞移植:

 かつて中国でHonyun Huangらにより有料にて行われていてメディカル・ツアーなどの物議をかもした治療であるが、胎生12~16週の胎児脳の嗅球由来の細胞をin vitroで増殖させ、損傷後6カ月から31年後の脊髄損傷患者を対象に驚くべきことに300例以上、損傷部の吻側、あるいは尾側に移植を行っている。in vitroでの細胞増殖の工程は不明であり、無作為比較試験などの適切な臨床試験は行われていない。前臨床研究レベルでは、移植後の細胞の運命や役割、移植の有益性について賛否両論があり、エビデンスとしては限定的と言わざるを得ない。

④成体の鼻粘膜のグリア細胞移植:

 いわゆるOlfactory Ensheathing Gliaの移植による軸索伸長促進効果を狙った治療法であり、臨床試験としては、第I相試験がポルトガルにて完了し、豪州にて第I相試験(自家移植)が完了した(Mackay-Sim et al.2008)。前臨床研究レベルでは、移植の有益性について未だ賛否両論があり、エビデンスとしては限定的である。

⑤ヒトES細胞由来オリゴデンドロサイト前駆細胞移植:

 University of California, IrvineのHans Keirsteadらは、ヒトES細胞のオリゴデンドロサイト前駆細胞への誘導を行い、これを脊髄損傷モデルラットに移植し、再髄鞘化と運動機能の回復を示した(Keirstead et al., 2005)。この基礎研究の成果をもとにGeron社は、ヒトES細胞のオリゴデンドロサイト前駆細胞(GRNOPC1細胞)を用いた前臨床研究による安全性試験を行い、1977匹の動物実験 、858回のGRNOPC1細胞の移植実験を行い、同細胞の損傷脊髄内での生存、髄鞘化の誘導、運動機能の回復という治療効果、さらには奇形腫形成、全身性の毒性、疼痛の誘導がないという安全性の確認を行った。これをもとに、(亜)急性期(損傷後7~14日)の胸髄(第3~10胸髄)レベルでの完全損傷麻痺(ASIA-A)の患者を対象として、低用量の免疫抑制剤(タクロリムス(FK506))を併用し、200万個のGRNOPC1細胞を移植し、一次目標として安全性(神経学的所見、全身所見)、二次目標として有効性(知覚機能、下肢運動機能)を確認するという第I相試験の申請を米国のFDAに行い、2009年1月にいったんは承認が得られた(同社HPより:  http://www.geron.com/patients/clinicaltrials/hESC.aspx)。その後、移植した動物にcystが見られるなどの所見が見つかり、治験実施はpendingとなっている状況である。

⑥ヒト胎児由来神経幹細胞移植:

 傷以外で、FDAの承認を受けて、実際に臨床試験の開始された細胞治療の例としては、2006年11月から開始された米国ステム・セルズ社(StemCells, Inc.) によるpalmitoyl protein thioesterase-1 (PPT1)というライソゾーム酵素欠損症(Batten病)に対する、胎児由来ヒト神経幹細胞(HuCNS-SC細胞)移植(第I相終了)があげられる。これは、前臨床研究の結果から考えると、神経幹細胞が産生・分泌するpalmitoyl protein thioesterase-1 (PPT1)による細胞非自律的な栄養効果(酵素補充)が機能回復のメカニズムと考えられる(Tamaki et al., 2009)。2008年12月、米国FDAは、HuCNS-SC細胞をミエリン形成不全症マウスであるshivererマウスへの移植実験の成果を踏まえ、HuCNS-SC細胞の先天性ミエリン形成不全症であるPelizaeus-Merzbacher病へ患者への移植(免疫抑制剤9か月間投与)についての第I相試験を承認した。第I相試験では、移植後12か月間、安全性を追跡し、MRIなどにより再髄鞘化の可能性を検討する計画である
(同社HPより:http://www.stemcellsinc.com/clinicaltrials/clinicaltrials.html

結語

 このように、世界的に見ても、現時点での脊髄損傷や他の中枢神経系を対象とした臨床試験は、その治療効果が確認されたのものは未だなく、現時点では安全性の確認を行っている段階であり、臨床研究の進展や今後の幹細胞医学の基礎研究・前臨床研究の展開に期待するところが大きい。一方、承認を得ていない幹細胞移植を行う医療機関が海外に存在することが知られており、メディカル・ツアーが問題化してきており、今後正確な情報の発信と収集が益々重要になるであろう。

主要参考文献:

  1. Roy et al. (2000). Nature Medicine 6: 271-277.
  2. Okano (2002). Journal of Neuroscience Research .69: 698-707.
  3. Okano & Sawamoto (2008). Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci, 363: 2111-21122.
  4. Okano (2010). Proc. Jpn. Acad., Ser. B 86: 438-450.
  5. Okano (2003). Semin Cell Dev Biol. 14: 159.
  6. 岡野 栄之(2009) 現代生物学入門(岩波書店)・第7巻再生医療生物学・第4章
  7. Reier et al. (1983). Brain Res 10: 201–219.
  8. Nakamura et al.(2005).. (2007) Journal of Neuroscience Research 81: 457-468.
  9. Iwanami et al. (2005a). Journal of Neuroscience Research 80: 172-181.
  10. Iwanami et al. (2005b). Journal of Neuroscience Research 80: 182-190.
  11. Nagoshi et al. (2008). Cell Stem Cell, 2: 392-340.
  12. Takahashi & Yamanaka (2006). Cell126:663–676.
  13. Takahashi et al. (2008) Cell 131:861-872.
  14. Tsuji et al. (2010). Proc Natl Acad Sci U S A. 107:12704-12709.
  15. Miura et al. (2009).Nature Biotechnology, 27:743-745.
  16. Fawcett et al. (2007). Spinal Cord. 45:190-205.
  17. Steeves et al. (2007). Spinal Cord. 45: 206-221.
  18. Tuszynski et al. (2007). Spinal Cord. 45: 222-231.
  19. Lammertse et al. (2007). Spinal Cord 45: 232-242.
  20. Steeves et al. (2004). Spinal Cord. 42: 591-597.
  21. Saito et al. (2008). J. Trauma 64: 53-59.
  22. Mackay-Sim et al. (2008). Brain 131: 2376-2386.
  23. Keirstead et al. (2005). Journal of Neuroscience 25: 4694-4705.
  24. Tamaki et al. (2009). Cell Stem Cell 5: 310-319.

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