光遺伝子－神経制御技術及び神経幹細胞技術の神経精神系疾患に対する介入治療についての研究と展望

2010年12月 9日

王立平（Wang Liping）：
中国科学院深圳先進技術研究院神経工学研究センター主任、研究員、博士課程指導教官

1971年10月生まれ。独ベルリン、マックス・デルブラック（Max Delbruck）分子医学センターにて神経科学博士号取得。米スタンフォード大学生体医工学科ポスドク、米カリフォルニア州再生医学研究所臨床研究員。主に神経サーキットの制御及び行動面の研究に従事。『Nature』、『Nature Method』を含むSCI定期刊行物に論文計18篇を発表。

要旨：

　社会の高齢化と日増しに強まる精神的ストレス等要因の影響により、世界ではパーキンソン病、ジストニア、強迫症、抑うつ症、てんかん等を含む、神経回路の異常に関わる神経精神系疾患患者の数が急激に増加し、現在、全世界の患者はすでに5億6千万人を超えている。各種の神経制御技術と幹細胞代替療法はすでに、ニューロン退行性疾患・損傷性疾患の伝統的治療観念に衝撃をもたらしている。本論文はさまざまな神経制御技術、特に今日の世界の神経科学研究分野における最先端の光遺伝子－神経制御技術の関連原理、応用及び研究について関連の紹介を行い、またそれを神経幹細胞技術と結びつけて神経精神系疾患の介入治療に用いることについて展望を行っている。

共著者：屠 潔、楊 帆

神経制御技術の概要

　神経制御は神経リハビリテーション医学の重要な構成部分である。神経制御技術とは、神経分野に直接作用する、電気や薬物という手段に頼って人体のある特定範囲の制御を行うことにより生命の質の改善という目的を達成する技術を指し、植込術と非植込術がある。非植込術には主なものとして経皮的神経刺激があり、疼痛を緩解し、組織炎症反応を軽減する。現在、最も広く応用されているのは植込術で、主に以下のいくつかの方面がある。

1. 脳深部刺激法（DBS）。この方法は主に脳深部特殊核に対するさまざまな慢性電流刺激を通じて、運動障害性疾患の治療に用いられている。現代のDBSは20世紀80年代に始まり、BenabidらはDBSを活用して患者の視床を刺激することにより、パーキンソン病様振戦を長期わたって治療することに初めて成功した。1997年、アメリカ食品医薬品局はDBSを特発性振戦の治療手段として承認し、2002年と2003年に、それぞれDBSをパーキンソン病とジストニアの治療に用いることを承認した。同時に、DBSは慢性頭痛、重度抑うつ症、強迫症、トゥレット症候群といった、さまざまなその他の神経精神系疾患の治療にも効果を上げている。
2. 脳皮質電気刺激法が現段階で展開している主な手段には、運動皮質刺激と小脳刺激がある。運動皮質刺激は運動皮質への電流刺激を通じて、DBSと似た治療効果を上げているが、この方法はDBSよりも操作が簡単で、マスターしやすく、脳組織の損傷が小さいうえ、合併症も少ないため、すでに今日の研究のホットトピックとなっている。一方、小脳皮質刺激は主に難治性てんかんの治療に用いられるが、その治療効果についてはまだ論争が続いている。
3. 末梢神経電気刺激法には、難治性頸性疼痛・慢性頭痛を治療する後頭神経刺激、てんかん・肥満症・抑うつ症及びその他の情緒障害性疾患を治療する迷走神経刺激、骨盤疼痛、脊髄損傷によって誘発される排泄障害・性機能障害等を治療する仙骨神経刺激等がある。
4. 脊髄電気刺激法は、脊髄への電気刺激を通じて、主に疼痛・捻転痙攣の治療、心臓機能改善、狭心症軽減、胃腸管機能・泌尿器機能・性機能等の再建に用いられる。
5. 微量薬液注入ポンプ植込術は、薬液徐放システムを椎管内または脳内へ植え込むことにより、がんの痛み、パーキンソン病、アルツハイマー病、難治性痙攣症などを治療する。

経頭蓋磁気刺激法

　経頭蓋磁気刺激は、非創傷、無痛の、安全性の比較的高い新技術であり、一時的、可逆的な一種の「仮想的破損」とみなすことができる。その基本原理は、コンデンサーに大量の電荷を蓄え、そのあと感応器に送ると、感応コイルが瞬時に大量の電荷を放出して磁場を作り出し、磁力線が非侵入的方式により、頭皮、頭蓋骨、脳組織を通り抜け、ファラデーの電磁誘導現象に基づき、脳内に逆誘導電流が発生するというものである。皮質内の電流によって大きく活性化された錐体ニューロンは、軸索内のミクロ的変化を引き起こし、さらには電気生理学的・機能的変化を誘発する。

神経制御技術の神経精神系疾患における応用と存在する問題

　現在、神経制御技術は主に運動障害性疾患、難治性疼痛、てんかん、精神障害性疾患、依存症、神経系が損傷を受けた後の機能回復といった面の治療に応用されている。現在、DBSという治療手段はかなり成熟し、またすでにパーキンソン病治療の最良の選択肢となっている。技術の発展にともない、脳皮質刺激、脊髄刺激、薬液ポンプ等の治療手段もすばらしい治療効果を上げており、今日の神経制御治療の研究におけるホットトピックとなっている。だが、多くの神経精神系疾患の治療に用いられている、上記の電気、磁力や薬物手段による神経制御技術に存在している一つの共通の限界性は、刺激自体に細胞特異性が欠け、治療作用を果たす細胞群を刺激するだけでなく、まったく治療作用のない細胞群も刺激してしまい、そのため臨床治療の有効率に影響を与えるうえ、いくつかの副作用も引き起こしているということである。（1）グリア細胞瘢痕が形成され電極が絶縁されるため、治療作用が数か月から数年しか持続しない。（2）TMSはさらに刺激の特異性に欠け、大脳周辺数センチメートルの範囲が刺激できるだけで、深部ニューロンは刺激することができない。（3）上記の伝統的神経制御技術の治療メカニズムはいまなおはっきりせず、確実に治療効果を高め、副作用を減らすことができないため、一部の患者だけがDBSとTMSに似た方法によって治療効果を得ている。しかしながら、この治療方法はそれにもかかわらず巨大な応用市場を有している。Neurotech社が出した市場調査研究報告の指摘によれば、全世界の神経制御装置産業は2008年の30億米ドルから2010年の45億米ドルに増加し、その複合年間成長率は26%に達しようとしている。したがって、長年にわたり全世界の多くの神経科学者が追求に力を尽くしてきた、治療効果を具えた特定の細胞群だけを速やかに、正確に、効率よく刺激することのできる新しいタイプの方法は、これによって、神経系疾患を最大限治療するという目的を達成したのである。

光遺伝子－神経制御技術

 

Fig. 1. Schematic of deep brain stimulation (DBS) device

　早くも1979年に、著名な分子生物学者でノーベル賞受賞者のFrancis Crickは『Scientific American』に次のように書いている。「神経科学分野に存在している最大の挑戦は、ある一つの細胞を制御しながらも、その他の細胞の機能がその影響を被らないようにすることのできる一つの手段が必要だ、ということである」。彼はさらにこう説明している。「電気刺激はこの要求に応えることはできない。なぜなら電極は精巧な道具ではなく、植え込まれた領域内のすべての細胞を刺激するからである。薬物も特異性が十分ではなく、しかもそれらは効果の現れる時間が大脳ニューロン活動の速度よりもはるかに遅い」。Crick博士は当時、「光は、神経細胞活動を特異的に制御するある一つの道具となる可能性が大きい」との大胆な予測を行っていた。光遺伝子－神経制御技術の誕生は、この大胆かつ偉大な予言を実証したと言うことができる。

　2005年、スタンフォード大学のKarl Deisseroth博士の研究チームは、緑藻から抽出した一つの光感受遺伝子Channelrhodopsin-2（ChR2）がコードする蛋白質を、遺伝子工学の方法を採用して哺乳動物の細胞内に転入し、この細胞が波長493nmの青い光を感受して興奮するようにした。また、彼らはボルボックスから抽出した別の種類の光感受遺伝子がコードする塩素イオンチャネルのたんぱく質遺伝子を細胞に導入し、この細胞が黄色い光（589nm）の作用の下でその興奮性を下げるようにした。このように、さまざまな波長の光を利用して、人々が特定の神経回路における細胞活性に対しマルチモーダルな高精度の制御（興奮や抑制）を実現できるようにし、また動物生体レベルにおいて神経回路に対し正確な介入と制御が行われるようにし、さらには神経回路に対応した行動法則について研究を行った。

　今日、光遺伝子－神経制御技術を利用して神経回路の解析と神経系の基本的生理機能の研究を行うことは、すでに国際的神経科学分野における研究のホットトピックとなっている。最新のScience誌には以下のような報道が見られる。例えば、光遺伝子技術を運用して、側坐核中の二種類のニューロン（それぞれ1型ドーパミン受容体D1と2型ドーパミン受容体D2を発現）がコカインの誘発する報酬メカニズムの中で各々演じている役割を解明し、BDNFシグナル経路のそこでの役割について検討した。最新の研究で光遺伝子技術を活用して、嗅球中のある僧帽細胞（姉妹細胞という）の匂いに対する感受を鑑定した。光遺伝子技術を利用して脳幹のアストロサイトを制御すると、動物の呼吸作用をコントロールすることができた。当該技術を活用して、ドーパミン2型受容体（D2R）依存的なグルタミン酸作動性シナプス伝達のメカニズムについて検討した。機能的核磁気共鳴技術（fMRI）と結びつけて、ある脳領域のblood oxygenation level-dependent（BOLD）シグナルが当該領域の興奮性ニューロンの活動を表していることを解明し、それによってfMRI領域のずっと解決できなかった難題を解決した。光遺伝子－神経制御技術を利用して、大脳の睡眠－覚醒の神経回路を解析した。扁桃体が大脳の条件的恐怖記憶の保存を担っていることを発見した。脊椎動物脊髄の自主的活動モデルを解析した。Pavalbumin中間ニューロンの活動がgamma波の発生、抑制と密接に関わり、一方、gamma脳波の異常はまた統合失調症の発病と切っても切れない関係にあるということを解明した、等々。

Fig. 2. Implanted intraspinal
drug delivery pump

　このほか、光遺伝子－神経制御技術を神経系疾患の介入方面に応用した基礎研究が国際的にすでにスタートしている。例えば、ChR2を先天的に失明させた動物モデルのレチナール神経節細胞に導入すると、ChR2を発現している細胞が機能を失ったレチナール細胞を部分的に代替することができたことから、レチナール退化による病変を治療できる一つの新しい道が切り開かれた。先天的に失明させたマウスモデルにおいて、ChR2たんぱく質を神経節細胞の双極細胞に導入すると、光感受性を回復し、視力を上げることができた。一方、脊髄損傷のラットモデルでは、呼吸運動ニューロンの受け取るシナプス前シグナルの減衰により、呼吸障害が生じたが、その運動ニューロン周囲から隔たった脊髄ニューロンにChR2たんぱく質を特異的に発現させたところ、特定波長の光線刺激の下で、呼吸運動機能を回復させることができた。当該技術を用いてPD動物モデルの介入治療に関する研究を行うことにより、DBSの当該疾患治療の蓋然的なメカニズムを得た。海馬または皮質にNpHRを導入し、異常動作電位の放出の制御に用いることにより、てんかん様の活動をコントロールし、てんかん治療のために新たな治療戦略を提供した、等々。こうした実験の成功は、この技術を積極的に臨床応用に広げようと努める科学者たちの信念を、いっそう励ましてきた。この技術を応用して中枢神経精神系疾患への介入を行うことについての研究は、国際的にもスタートしたばかりで、大多数の研究室はこの技術を応用して関連の基礎研究に従事しているところだが、人々はこの技術の今後における臨床応用が、多くの神経精神系疾患の徹底的治癒のために希望をもたらしてくれることを期待している。この技術に特有の優位性は、治療作用を具えた細胞だけを選択的に刺激できることであり、人々は積極的にこの技術を中枢神経系疾患、心臓血管疾患等を治療する次世代の一つの革新的な方法へと発展させているところである。

　光遺伝子－神経制御技術は、遺伝子工学、電気生理学、光学、電子工学技術を整理統合した、まったく新しい、多学科の交差したバイオテクノロジーの手段であり、近年、神経科学分野においてすでに大きな関心を集め、広範囲に応用されている。「ますます多くの系統の神経科学者が、このまったく新しい技術のために以前の伝統的な電気生理装備を放棄しつつある」（Buchen, 2010）。当該技術は2007年、MIT Technology Reviewによって10大バイオサイエンス・テクノロジーの一つに選ばれ、2008年には、Nature Methods誌もこの技術を10大最先端バイオテクノロジーに選出した。アメリカの有名な生物学研究センターSalk Institute for Biological StudiesのEdward Callaway教授は、「やらなければならないのは一つのたんぱく質を発現させることであり、続けていけば光を用いて神経細胞の活動を制御できるようになる」と論評している。この技術は空間における細胞特異性（特定のプロモーターを応用して相応の遺伝子を誘導し特定の細胞群の中に発現させる）と、時間におけるミリ秒レベルの正確性を有している。したがって、この技術を利用すれば、特定の神経回路レベルにおける疾患の治療が実現でき、関連の神経サーキットについての深い理解をもとに、統合失調症の病理状態下における関連神経回路の特徴を深く掘り下げて研究することができ、ひいては病理条件下の神経回路の修復のために理論的根拠を提供することができるのである。この技術はまた基礎研究のためにも一つの斬新な生物工学的ツールを提供しており、それは我々が神経回路のコード情報及び法則を研究することを通じて、いっそう深いレベルから多種の精神神経系疾患の発生、進行、変化について明らかにし、それにより新しい治療ターゲットの追究を行うのを助けてくれる。したがって、今後数年または数十年以内に、光遺伝子－神経制御技術は新しいタイプの神経制御ツールとして、生物医学全体の様相を改め、さらに新興の医学的手段として、特に新型医療設備の開発分野において広範囲に応用されるであろう。

Fig. 3. Schematic of optogenetic tools.

a, schematic of channelrhodopsin-2 (ChR2) and the halorhodopsin (NpHR) pump.
b, action spectra for ChR2 and NpHR.
c, cell-attached (top) and whole-cell current-clamp (bottom) traces from hippocampal neurons showing all-optical neural activation and inhibition.

神経幹細胞技術

　幹細胞技術は近年、ニューロン退行性疾患・損傷性疾患の治療において、ますます大きな関心を集めている。伝統的見解は、中枢神経系の再生能力には非常に限りがあり、ほとんど再生の能力を具えていないとしている。最近の研究によれば、成年哺乳動物の体内の中枢神経系は依然として神経再生の能力を具えており、海馬歯状回、上衣下領域のような比較的はっきりした部位の神経幹細胞は、低酸素虚血やその他のストレス条件の下で、増殖分化と遷移を生じることができ、下位神経細胞とグリア細胞を産生して、損なわれた神経系を修復することができる。さらなる研究が実証しているように、神経幹細胞は自己更新と分化増殖を行うことのできる一群の細胞である。一方で神経幹細胞は対称分裂と非対称分裂によって幹細胞バンクの安定を実現し、自己更新を実現しており、他方で、神経幹細胞はニューロン、アストロサイトやオリゴデンドロサイトへと分化して、下位細胞の生理的・生化学的機能を維持することができる。分化の潜在能力に基づき、神経幹細胞は神経管上皮細胞、放射状グリアニューロン、神経母細胞、神経前駆細胞等に分化することができる。所在部位によって、神経幹細胞は末梢神経堤幹細胞、中枢神経幹細胞にも分化することができる。

　中枢神経幹細胞は補充することができ、頭蓋内損傷及び脳卒中後の脳組織中の損なわれたニューロンに代わって、一部のサーキットと機能を再建することができ、さらに外来遺伝子を神経組織に導入し、それを体内で効果的に発現させることができるため、神経幹細胞は損なわれた神経組織を修復する中で重要な役割を発揮することができる。幹細胞治療技術は最初から、損なわれた脳組織を修復・代替する最終的方法として位置づけられており、多種の神経系疾患の治療に用いることができる。科学的研究によれば、神経幹細胞をパーキンソン病モデルのラット脳に移植すると、ラット脳の振戦症状に明らかな好転が見られ、流産胎児脳部の神経幹細胞をパーキンソン病患者の脳部に移植すると、半数の患者の症状に明らかな改善が見られることがすでに発見されている。神経系におけるミエリン機能の喪失は多発性硬化症の発生を招くが、神経幹細胞を多発性硬化症の脳局所に移植し、分化してできた多数のオリゴデンドロサイトはミエリンを得ることができ、その機能は正常なミエリンに近い。神経幹細胞は損なわれた神経回路を直接修復する機能を具えているほか、一種の担体として、脳腫瘍や炎症の治療に用いる遺伝子を運ぶことができる。実験が証明しているように、白血球因子IL-4遺伝子を携えている神経幹細胞をグリオーマの脳部に移植すると、IL-4が効果的に分泌され、それにより腫瘍細胞を殺す効果のある内在免疫系を活性化することができる。

　今後の神経幹細胞方面の仕事として、神経幹細胞の体外増殖、分化誘導及び遷移メカニズムがある。神経幹細胞の分化増殖関連遺伝子をさらに研究することにより、神経幹細胞の分化増殖を効果的にコントロールし、人体の中から体細胞を分離し神経幹細胞へと分化誘導させることによって、臨床に用い、臨床治療における幹細胞不足の問題などを解決する。また、細胞膜の脱分極は、幹細胞の神経方向の分化及び成熟ニューロンの生存と機能化の面で、いずれも重要な意義を有している。そこで、現在すでに行われている試行的研究では、光感受遺伝子をヒト由来ES細胞内（embryonic stem cells, ESCs）に特異的に発現させ、さらにこのES細胞をニューロンへと方向付け誘導した後、光感受遺伝子たんぱく質を発現させることに成功し、光を用いてこのニューロンを特異的に制御したところ、このニューロンを宿主の神経サーキットに機能的に統合させることが可能であることがわかった。したがって、上記の光遺伝子－神経制御技術を神経幹細胞の増殖、分化等機能の制御に用いることもまた、神経科学分野のわくわくするような方向の一つなのである。