マウス中枢神経系外に存在する神経上皮由来の多能性神経幹細胞

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背景紹介

長い間、科学界では哺乳類の神経幹細胞（Neural Stem Cells, NSCs）は中枢神経系（Central Nervous System, CNS）にのみ存在すると考えられてきました。特に、海馬歯状回（dentate gyrus）や側脳室近くの脳室下区（subventricular zone）などの特定の領域に存在し、これらの領域のNSCsは成体後も新しいニューロンを生成し続けることが知られています。このプロセスは神経発生（neurogenesis）と呼ばれています。しかし、NSCsが中枢神経系の外、特に末梢神経系（Peripheral Nervous System, PNS）に存在するかどうかについては、これまで議論が続いていました。

末梢神経系は主に神経堤細胞（Neural Crest Cells, NCCs）から発達し、神経堤幹細胞（Neural Crest Stem Cells, NCSCs）が末梢神経系の主要な幹細胞タイプとされています。NCSCsはCNSのNSCsと比較して、遺伝子発現や分化能において大きな違いがあり、自己更新能力も限られています。そのため、従来の見解ではNSCsはCNSにのみ存在し、PNSの幹細胞は主にNCSCsであると考えられてきました。

しかし、この従来の見解は近年疑問視されるようになりました。一部の研究では、特定の末梢組織がNSCの特性を持つ細胞を含む可能性が示唆されましたが、これらの細胞が本当にNSCの特徴を持つことを証明する十分な証拠は提供されませんでした。この問題をさらに探求するため、Max Planck Institute for Molecular BiomedicineやUniversity of Hong Kongなどの研究チームは、末梢神経幹細胞（Peripheral Neural Stem Cells, PNSCs）の存在とその機能を明らかにするための画期的な研究を実施しました。

研究の出典

この研究はDong Han、Wan Xu、Hyun-Woo Jeongら複数の科学者によって共同で行われ、研究チームはMax Planck Institute for Molecular Biomedicine、University of Hong Kong、University of Luxembourgなど複数の国際的に有名な研究機関から参加しました。研究結果は2025年4月にNature Cell Biology誌に掲載され、タイトルは《Multipotent neural stem cells originating from neuroepithelium exist outside the mouse central nervous system》です。

研究のプロセスと結果

1. 末梢神経幹細胞の発見と分離

研究チームはまず、低pH処理（low-pH treatment）を用いてマウスの胚肢細胞と成体肺細胞からNSC様細胞を誘導することを試みました。当初は多能性幹細胞の誘導に成功しませんでしたが、特定の培養条件下で、研究チームはNSCの特徴を持つ細胞群を偶然に得ました。これらの細胞は「胚肢低pH NSC」（Embryonic Limb Low-pH NSCs, ELLNSCs）および「成体肺低pH NSC」（Adult Lung Low-pH NSCs, ALLNSCs）と名付けられました。

これらの細胞が本当にNSCの特性を持つかどうかを確認するため、研究チームは細胞形態、自己更新能力、分化能、遺伝子発現プロファイル、およびエピジェネティックな特徴を分析しました。その結果、ELLNSCsとALLNSCsは脳由来のNSCsと多くの点で非常に似ており、ニューロン、アストロサイト、オリゴデンドロサイトなどの神経細胞に分化できることが示されました。

2. 低pH処理なしでの末梢神経幹細胞の分離

末梢組織に内因性のNSCsが存在するかどうかをさらに確認するため、研究チームは低pH処理を行わずに、胚肢、成体肺、および出生後の尾部組織から直接NSC様細胞を分離しました。NSC特異的マーカーであるnestinを発現するトランスジェニックマウス（nes-gfpマウス）を使用し、研究チームは成体肺および尾部組織からGFP+のNSC様細胞を分離することに成功しました。これらの細胞もまた、脳NSCsと同様の自己更新能力、分化能、および遺伝子発現パターンを示しました。

3. 末梢神経幹細胞の多能性の検証

PNSCsの多能性を検証するため、研究チームはこれらの細胞を体外でニューロン、アストロサイト、オリゴデンドロサイトに分化させ、新生マウスの脳に移植しました。その結果、移植されたPNSCsは脳内で生存し、成熟したニューロンやグリア細胞に分化することが確認され、腫瘍形成は観察されませんでした。さらに、遺伝的マーカー実験により、移植細胞と宿主細胞の融合の可能性が排除されました。

4. 末梢神経幹細胞と神経堤幹細胞の違い

PNSCsが神経堤細胞に由来するかどうかを確認するため、研究チームはPNSCsとNCSCsを比較しました。その結果、PNSCsはNSC特異的マーカー（Sox2やOlig2）を発現する一方で、NCSCs特異的マーカー（Sox10やp75）は発現しないことが明らかになりました。さらに、PNSCsは分化後に主にニューロンやグリア細胞を生成するのに対し、NCSCsはニューロンへの分化が難しく、分化した細胞もp75を発現し続けました。これらの結果は、PNSCsとNCSCsが遺伝子発現と分化能において大きな違いがあることを示しています。

5. 末梢神経幹細胞の起源

遺伝的追跡実験により、研究チームはPNSCsが神経上皮細胞（Neuroepithelial Cells, NECs）に由来し、神経堤細胞ではないことを発見しました。Sox1-creマウスを使用したマーカー実験により、PNSCsが胚発生の初期に神経管から移動し、末梢組織に定着することが確認されました。これらのPNSCsは胚発生および出生後の発達過程において、成熟したニューロンや限られたグリア細胞に分化できることが示されました。

6. 末梢神経幹細胞の分子特性

PNSCsの分子特性をさらに明らかにするため、研究チームは成体脳および出生後尾部組織中のSox1+細胞に対して単細胞RNAシーケンス（scRNA-seq）を行いました。その結果、尾部組織中のSox1+細胞は脳中のNSCsと遺伝子発現において非常に似ており、これらの細胞が出生後も神経発生の可能性を保持していることが示されました。さらに、PNSCsは他の組織に存在する幹細胞（肺AT1およびAT2幹細胞など）と分子特性において大きな違いがあり、PNSCsが独特のNSCsであることが示されました。

研究の結論と意義

この研究は初めて末梢神経幹細胞（PNSCs）の存在を確認し、その特性が中枢神経幹細胞（NSCs）と多くの点で類似していることを明らかにしました。PNSCsは神経上皮細胞に由来し、神経堤細胞ではなく、胚発生および出生後の発達過程においてニューロンやグリア細胞に分化できることが示されました。この発見は従来の見解に挑戦するものであり、神経再生治療に新たな可能性を提供します。

科学的価値と応用の可能性

  1. 従来の見解への挑戦：この研究は、NSCsがCNSにのみ存在するとする従来の見解を覆し、末梢神経系におけるPNSCsの存在と機能を明らかにしました。
  2. 神経再生治療：PNSCsの発見は、アルツハイマー病やパーキンソン病などの神経変性疾患や脊髄損傷の治療に新たな細胞源を提供します。CNSのNSCsと比較して、PNSCsはより容易に入手可能であり、同様の再生能力を持っています。
  3. 発生生物学：この研究は神経系の発達を理解するための新たな視点を提供し、神経上皮細胞が末梢神経系の形成において重要な役割を果たすことを明らかにしました。

研究のハイライト

  1. 初めて末梢神経幹細胞を発見：この研究は初めてPNSCsの存在を確認し、その特性がCNSのNSCsと類似していることを詳細に記述しました。
  2. 革新的な実験手法：研究チームは低pH処理と遺伝的マーカー実験を通じて、PNSCsの存在と機能を成功裏に分離・検証しました。
  3. 多分野の協力：この研究は発生生物学、分子生物学、単細胞シーケンス技術を組み合わせ、PNSCsの発見に多層的な証拠を提供しました。

まとめ

この研究は神経科学分野に新たなブレークスルーをもたらすだけでなく、神経再生治療に新たなアプローチを提供しました。今後、PNSCsがヒトにおいて存在するかどうか、および疾患治療における応用可能性についてのさらなる研究は、科学的および臨床的に重要な意義を持つでしょう。