投稿者: 実験室で培養されたオルガノイドは、ヒトの脳の発達と疾患の研究を飛躍的に加速させている。
人間の脳の発達は、その驚異的な認知能力の幅広さにおいて、まさに畏敬の念を抱かせる進化の偉業と言えるでしょう。脳を構成する数百億個の細胞は、それぞれが正確なタイミングで生まれ、適切な場所に移動し、3000種類もの異なる細胞型に分化し、互いに極めて特異的なシナプス結合を形成しなければなりません。これらの過程のほとんどは出生前に起こりますが、発達はその後も30年近く続きます。
これらの研究はどれも容易ではない。従来、科学者たちは動物モデルや希少なヒトの脳組織に頼ってきた。しかし、オルガノイドと呼ばれる、実験室で培養された微小なヒト脳モデルの登場により、研究の選択肢は大きく広がった。脳オルガノイドは革新的な技術だが、規制が必要だ
10年以上前に初めて作製されたこれらのオルガノイドは、当初は非常にシンプルなモデルとして始まりました。しかし、ここ数年で科学者たちは技術を改良し、より多くの脳領域を再現する、より複雑なシステムを培養できるようになりました。オルガノイドを用いた脳の発達研究、自閉症や統合失調症といった神経発達障害のモデル化、脳疾患の新たな治療法の試験など、研究は飛躍的に進展しています。これらの微小な球体は、人間の脳が他の哺乳類の脳よりもはるかにゆっくりと発達する理由など、これまで解明が難しかった疑問に答える上で、研究者たちの助けとなっています。
そして今年、研究者たちは、オルガノイドのみを用いて開発された脳疾患治療薬の初の臨床試験を実施することを目指している。
「この分野は転換期を迎えている」と、ウィーン分子生物工学研究所の発生生物学者ユルゲン・クノブリッヒ氏は述べている。
しかし、オルガノイドにも限界がないわけではない。例えば、実験室で数ヶ月以上維持するのは難しい。また、複雑性に欠ける。
将来を見据えると、技術の進歩に伴い、知覚や意識といった特性が現れる可能性についても疑問が残る。「現時点では到底実現可能ではない」と、イタリアのミラノ大学の分子神経科学者ジュゼッペ・テスタ氏は言う。「しかし、いずれは培養皿の中でより複雑な行動の出現を精査する必要が出てくるかもしれない」。
ニューロンの旅
人間の脳となる最初の構造は、受精後わずか3週間で発達し始める。それは、初期の神経前駆細胞からなる中空の管である。
この初期段階の細胞集団は、最終的に脳の多様なニューロンと支持細胞すべてを生み出す。神経管が複数のセクションに分かれて拡張し、ニューロンの産生がピーク時には毎分約25万個に達する。これらのニューロンの中には、他のニューロンが正しい位置に到達するのを助ける足場となるものもある。
軸索と樹状突起はニューロンから伸び、脳の離れた領域同士をつなぎます。次に、ニューロンを支え、絶縁するグリア細胞の生成が始まり、その後、妊娠7ヶ月頃になると、脳は協調的な電気活動を発生させ始めます。脳組織よ、集結せよ！より優れた脳モデル構築に向けた取り組みの内幕
脳オルガノイドは、本物の人間の脳の複雑に入り組んだ構造を完全に再現することはできない。しかし、驚くほど似たような発達過程をたどる。
これらは、人工多能性幹細胞（iPS細胞）を用いて作られます。iPS細胞とは、成体細胞を初期の発生段階に再プログラムしたものです。適切なシグナル伝達分子が与えられると、iPS細胞は種特有の設計図とスケジュールに従って、天然の神経前駆細胞と非常によく似た分化を起こします。ヒトの細胞はヒトの妊娠と同じペースでゆっくりと分化し、マウスの細胞はマウスの妊娠と同じ速さで分化します。
研究者たちはまず、神経管に近似した2次元のロゼット状構造を形成するように細胞を培養することから始めた。
「私たちはこれらの培養細胞から多くのことを学び、今も学び続けています」と、ベルギーのルーヴェン・カトリック大学（KU Leuven）の発達神経科学者であるピエール・ヴァンデルハーゲンは述べています。しかし、神経科学者たちが本当に求めていたのは、胎児の発達の複雑な空間的側面をよりよく模倣できるものでした。2008年までに、神経科学者たちは神経前駆細胞を3D 1に誘導する方法を解明しました。
最初のオルガノイド
次の画期的な発見は、現在イギリスのケンブリッジ大学に所属する発生生物学者のマデリン・ランカスターが「半ば偶然の産物」と呼ぶものだった。彼女は2010年にノブリッヒの研究室にポスドクとして加わり、研究ツールとしてマウスのロゼット細胞を培養しようとしていた。しかし、うまくいかなかった。細胞が凝集してしまう傾向があったのだ。ところが、顕微鏡でその凝集塊を観察してみると、胚性マウスの脳に驚くほどよく似た小さな球体で構成されていることに気づき、彼女は驚愕した。
「それは人生を変える瞬間でした」と彼女は言う。キメラ脳オルガノイドがヒトの遺伝的多様性を捉える
緊急の研究室会議が開かれた。ランカスターはすぐにヒトiPS細胞を用いてオルガノイドを作製し、細胞自身の遺伝子情報に従って分化させることを決定した。「胚は外部からの指示がなくても自らを構築する方法を知っていると思ったのです」と彼女は語った。彼女のシステムは、大脳皮質から網膜まで、脳のさまざまな部分を再現するオルガノイドの混合物を作り出した。
次に驚いたのは、ヒトのオルガノイドが成長し続けたことだ。マウスのオルガノイドは9日以内にニューロンの生成を終えたが、ヒトのオルガノイドは200日間成長を続け、直径4ミリメートルの球体となり、細胞数は桁違いに多かった。「信じられないほど大きな違いだ」とランカスターは述べている。
しかし、ランカスターが最も興奮したのは、ヒト皮質オルガノイドに外側RG細胞と呼ばれる新種の幹細胞が存在することだった。これらの細胞を多数持つのは霊長類だけであり、ヒトは非ヒト霊長類よりもはるかに多くの細胞を持っている。科学者たちは、これらの細胞がヒトの不釣り合いに大きな脳の拡大を促進していると考えている。
研究チームはすぐにヒトの疾患研究との関連性に気づき、脳のサイズが小さくなる小頭症と呼ばれる状態のオルガノイドモデルを作成した。研究チームは、オルガノイドが正常なヒトのオルガノイドほど大きく成長しなかったのは、神経前駆細胞が適切な大きさの前駆細胞プールに増殖する前にニューロンに分化したためだと発見した2。
場が爆発する
その後、脳オルガノイドを用いた論文が大量に発表された。神経科学者たちは、脳の様々な部位や脊髄から、また、種間比較のためにヒト細胞と非ヒト霊長類の細胞から、さらに疾患研究のために臨床サンプルからオルガノイドを作成した。例えば、2016年の研究では、当時ブラジルで流行していたジカウイルスが、神経前駆細胞に優先的に感染することで小頭症を引き起こすことが示された<sup> 3</sup>。カリフォルニア大学サンディエゴ校のアリソン・ムオトリは、ヒト由来のオルガノイドで現代遺伝子と古代遺伝子を入れ替えることで、ネアンデルタール人（ホモ・ネアンデルターレンシス）などの絶滅したヒト科動物を表すオルガノイドのライブラリーまで作成した。
オルガノイドは、人間の脳がどのように発達するのか、そしてなぜ人間の脳は他の種の脳よりも高い認知能力を持つのかといった疑問に取り組む上で、すでに不可欠な存在であることが証明されている。
特に、神経前駆細胞はどのようにして分化の速度を制御しているのだろうか？そして、なぜヒトの分化速度はこれほど遅いのだろうか？ヒトの神経細胞はマウスの神経細胞に比べて成熟に約10倍の時間がかかり、成熟への各段階も長期にわたる。オルガノイドは、科学者たちがこの遅延の一因となっている可能性のある種差を特定するのに役立ってきた。
例えば、ムオトリは、神経成熟に重要な現代人の遺伝子をネアンデルタール人のものとわずかに異なるバージョンと交換すると、より小さなオルガノイドと、よりゆっくりと増殖するニューロンができることを発見した4。また、いくつかのグループは、代謝の低下5、特定のシグナル伝達経路の変化6、特定の遺伝子の発現の変化など、他のさまざまな原因を特定している。科学者たちはまた、遺伝子のオンオフを切り替えるエピジェネティックプロセスを抑制することでニューロンの成熟にブレーキをかける分子も特定している7。
「人間の特別な特徴は、おそらく脳の特定の領域における特定の遺伝子の発現をわずかに増減させるという、影響の小さい変化が何百と積み重なった結果だろう」と、カリフォルニア大学サンフランシスコ校の進化遺伝学者アレックス・ポーレンは述べている。
それらを組み立てる
オルガノイド研究の最前線の一つは、脳の各領域間でニューロンがどのように接続されるか、そしてそれが統合失調症や自閉症などの神経発達障害を持つ人々ではどのように異なるかを研究することである。複数の研究チームがこの課題に取り組むため、技術の改良を進めている。
セルジュ・パシュカは一つの解決策を見出した。彼はまず、カリフォルニア州スタンフォード大学での博士研究員時代に、様々な領域オルガノイドの作製方法を習得した。そして、それらを組み合わせてアセンブロイドと呼ばれる構造体を作るというアイデアを思いついた。その過程は予想以上に簡単で、「一晩で融合した」と彼は語る。
ニューロンは新たに融合した隣接するオルガノイドに長距離の投射を送り、シナプスを形成し、領域間で協調的な活動を生み出した。「これは、ヒトの神経回路を組み立てるために必要な情報の驚くほど多くの部分が、発生プログラムに組み込まれていることを示している」とパシュカ氏は述べている。「これで、回路形成を導く規則を抽出できるようになる。」
彼が最初に研究したアセンブリロイド8は、前脳の2つの領域（皮質と下皮質）から構成されており、そこには他のニューロンを活性化する興奮性ニューロンと、活動を抑制する抑制性ニューロンがそれぞれ異なる割合で存在している。下皮質由来の抑制性ニューロンは発達過程で皮質へと移動し、興奮性回路と抑制性回路の適切なバランスが極めて重要となる。このバランスの崩れは、神経発達障害と関連付けられている。
大脳皮質と皮質下オルガノイドが結合すると、抑制性ニューロンは大脳皮質オルガノイドに向かって動き出し、その後、胚の脳内を移動するのと全く同じように、大脳皮質オルガノイドへと移動し始めた。「文字通り、一度に30ミクロンずつジャンプするんです」と、現在スタンフォード大学の教員であるパシュカ氏は語る。「私たちはその様子に魅了され、研究室のミーティングで何時間も動画を見ていました。」
彼と彼のチームは、さまざまな脳領域を結合させた数十個のアセンブロイドを作製した。彼らは脊髄、皮質、筋肉のオルガノイドを融合させ、脊髄オルガノイドを電気刺激すると筋肉オルガノイドが目に見えて収縮することを発見した。彼らはアセンブロイドを使用して、例えばポリオウイルスが特定の脊髄細胞に感染して筋肉の収縮を止めることを示すなど、シャーレ内で麻痺をモデル化している9。
Reference : Mini models of the human brain are revealing how this complex organ takes shape
https://www.nature.com/articles/d41586-026-01025-6
