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〜ヒトiPS細胞由来ドパミン神経移植の質的効果向上〜

研究成果 
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2016年3月18日

移植後のドパミン神経のシナプス形成を既存薬で促進することに成功
〜ヒトiPS細胞由来ドパミン神経移植の質的効果向上〜

 西村 周泰 研究員(元・CiRA特定研究員/現・カロリンスカ研究所博士研究員)、高橋 淳 教授(京都大学CiRA臨床応用研究部門)らの研究グループは、村山 繁雄 部長(東京都健康長寿医療センター)、尾上 浩隆 グループディレクター(理化学研究所ライフサイエンス技術基盤研究センター)との共同研究で、ヒトiPS細胞由来ドパミン神経細胞注1)移植において、エストラジオール誘導体注2)が、移植したドパミン神経細胞と脳内の神経細胞とのシナプス注3)形成を促進すること、またそれに伴い、運動機能が早期に改善することを明らかにしました。

 本研究成果は、2016年3月17日正午(米国東部時間)に米国科学誌「Stem Cell Reports」に公開されました。

ポイント

・中脳注4)ドパミン神経の神経支配を受ける線条体神経に、インテグリンα5β1注5)が選択的に発現している。

・生きた細胞中の複数のmiRNA活性の違いを定量的に感知することで、異なる細胞種の同定や分離の精度を高めることができた。

・雌性成体ラットにエストラジオール誘導体を全身持続投与することで、インテグリンα5β1が活性化する。

・パーキンソン病モデルラットにエストラジオール誘導体を全身持続投与し、ヒトiPS細胞由来ドパミン前駆細胞注6)を移植することで、移植したドパミン神経細胞と脳内の神経細胞のシナプス形成が促進され、異常行動が早期から改善する。

1. 要旨

 パーキンソン病に対するヒト多能性幹細胞を用いた細胞移植治療において、移植したドパミン神経細胞が有効性を発揮するには、脳内の神経細胞と機能的なシナプスを形成する必要があります。本研究では、まずトランスシナプストレーシング法注7)を用いて、移植したドパミン神経細胞が、移植後にシナプスを形成するべき脳内の神経細胞にインテグリンα5β1が選択的に発現していることを明らかにしました。次に、雌性成体ラットにエストラジオール誘導体(エストラジオール安息香酸エステル)を全身持続投与することで、この神経細胞に発現するインテグリンα5β1が活性化し、細胞接着が亢進することを明らかにしました。さらに、パーキンソン病モデルラットにエストラジオール誘導体を全身持続投与し、ヒトiPS細胞由来ドパミン前駆細胞を移植することで、移植したドパミン神経細胞と脳内の神経細胞のシナプス形成が促進され、異常行動の早期改善に寄与することを明らかにしました。

2. 研究の背景

 ヒト多能性幹細胞から誘導したドパミン神経は、パーキンソン病に対する細胞移植治療の有力なツールになることが期待されています。当研究室では、2014年に臨床応用に向けた分化誘導法(プロトコール)を発表しました。この方法を用いて作成したドパミン神経を移植し、より優れた治療効果を得るためには、移植後、脳内において生着細胞数の向上、神経成熟の促進、神経突起伸長およびシナプス形成を促進させる必要があります。特に、パーキンソン病患者の神経症状を改善するためには、移植したドパミン神経と脳内の神経細胞が機能的なシナプスを形成する必要がありますが、移植したドパミン神経がシナプスを形成するべき脳内の神経細胞の特性やシナプス形成を促進させる方法、またシナプス形成が運動機能改善にどの程度寄与するのか、などはまだ明らかにできていませんでした。この点を明らかにすることは、神経細胞移植の治療効果向上に有益性をもたらすと考えています。

3. 研究結果

1) 正常脳において、中脳ドパミン神経の支配を受ける線条体神経(移植したドパミン神経がシナプスを形成するべき神経細胞)にインテグリンα5β1が選択的に発現していることを明らかにしました。


図1. トランスシナプストレーシングを用いた中脳ドパミン神経の支配を受ける線条体神経の特性解析

マウス黒質にWGAタンパク質注8)をマイクロインジェクション注9)し、線条体において、中脳ドパミン神経の支配を受ける神経にインテグリンα5β1が選択的に発現していることを確認しました。スケールバー:50 µm。

マウス黒質にWGAタンパク質注8)をマイクロインジェクション注9)し、線条体において、中脳ドパミン神経の支配を受ける神経にインテグリンα5β1が選択的に発現していることを確認しました。スケールバー:50 µm。



2) エストラジオール誘導体を全身持続投与することにより、線条体神経に発現するインテグリンα5β1が活性化し、細胞接着が亢進しました。

図2. エストラジオール誘導体の全身持続投与した雌性成体ラット線条体におけるインテグリンα5β1の活性化とフィブロネクチンへの接着亢進

図2. エストラジオール誘導体の全身持続投与した雌性成体ラット線条体におけるインテグリンα5β1の活性化とフィブロネクチンへの接着亢進

エストラジオール誘導体を全身持続投与することで、インテグリンα5β1が活性化し、フィブロネクチン注10)への接着が亢進していることを確認した。

エストラジオール誘導体を全身持続投与することで、インテグリンα5β1が活性化し、フィブロネクチン注10)への接着が亢進していることを確認した。



3) パーキンソン病モデルラットiPS細胞由来ドパミン神経を移植し、にエストラジオール安息香酸エステルを全身持続投与することで、運動機能のシナプス形成の促進と運動機能の早期改善が確認できました。



図3. 移植後の脳(線条体)における組織像

WGA(緑;トランスシナプスタンパク質)、ヒトシナプトフィジン(赤;移植した神経細胞由来のシナプス)、DARPP32(白;線条体神経のマーカー)、DAPI(青;核)。線条体神経の周辺に移植した神経由来のシナプスが形成され、さらにWGAが線条体神経に取り込まれているのがわかる(矢印)。スケールバー:20 µm。

WGA(緑;トランスシナプスタンパク質)、ヒトシナプトフィジン(赤;移植した神経細胞由来のシナプス)、DARPP32(白;線条体神経のマーカー)、DAPI(青;核)。線条体神経の周辺に移植した神経由来のシナプスが形成され、さらにWGAが線条体神経に取り込まれているのがわかる(矢印)。スケールバー:20 µm。

4.まとめ

 今回の研究において、iPS細胞由来ドパミン神経細胞移植において、エストラジオール誘導体が、線条体神経に選択的に発現するインテグリンα5β1の活性化を介して、移植したドパミン神経とのシナプス形成を促進し、運動機能の早期改善に寄与することが示されました。また同時に、既存薬が細胞移植治療の質的向上に寄与することを示しており、本研究をモデルケースとして、細胞移植治療の効果向上を目的とした創薬研究が進展することが期待されます。

5. 論文名と著者
○論文名
Estradiol facilitates functional integration of induced pluripotent stem cell-derived dopaminergic neurons into striatal neuronal circuits via activation of integrin α5β1

○ジャーナル名
Stem Cell Reports

○著者
Kaneyasu Nishimura1,2, Daisuke Doi1, Bumpei Samata1, Shigeo Murayama3, Tsuyoshi Tahara4, Hirotaka Onoe4, Jun Takahashi1,*

○著者の所属
  1. 京都大学iPS細胞研究所
  2. 現所属:カロリンスカ研究所
  3. 東京都健康長寿医療センター
  4. 理化学研究所ライフサイエンス技術基盤研究センター

責任著者
6. 本研究への支援

本研究は、下記機関より資金的支援を受けて実施されました。

  • ・科学技術振興機構 再生医療実現拠点ネットワークプログラム
  • ・文部科学省 科学研究費補助金「若手研究B」
  • ・学術振興会 特別研究員制度
  • ・国立精神・神経医療研究センター精神・神経疾患研究開発費
  • ・金原一郎記念医学医療振興財団
7. 用語説明

注1)ドパミン神経細胞
神経細胞の一種で、神経伝達物質としてドパミンを放出する。多くのパーキンソン病の患者さんでは、中脳黒質にあるドパミン神経細胞の変性が見られる。

注2)エストラジオール誘導体
性ホルモンの一種であるエストロゲンの一種。エストラジオール安息香酸エステルは、エストラジオールから作られる女性ホルモン成分の一種(エストロゲン)で、既存薬にも使用されている。

注3)シナプス
神経細胞どうしの接合部位で、情報伝達を担う。通常、ドパミンなどの神経伝達物質は、このシナプス間隙に放出され、次の神経細胞表面に存在する受容体を介してシグナルが伝達される。

注4)中脳
脳幹部の一部。脳の前部(大脳、間脳、脳下垂体)と後部(小脳、延髄、橋)に挟まれた部分。視覚、聴覚に関係する。

注5)インテグリンα5β1
インテグリンとは、細胞の外部(マトリックス)への接着を媒介する細胞表面の受容体分子で、細胞接着に加え、細胞内へ信号を伝える働きをもつ糖タンパク質の仲間。20種類以上のインテグリンのうち、インテグリンα5β1は、主に注10)のフィブロネクチンと結合し、その生理活性を細胞内に伝える。

注6)前駆細胞
幹細胞から特定の機能をもつ細胞に分化する前の細胞のこと。幹細胞に比べ、分化できる細胞の種類が限られている。ドパミン前駆細胞とは、ドパミン神経細胞に分化する前の細胞のことを言う。

注7)トランスシナプストレーシング法
神経細胞がどの神経細胞とつながっているかという投射経路を可視化する方法の一つ。今回の研究では、後述のWGAタンパク質の性質を利用し、中脳ドパミン神経細胞とシナプスを形成している線条体神経細胞の可視化をおこなった。

注8)WGA(Wheat germ agglutinin)
小麦胚芽レクチンと呼ばれる糖タンパク質の一種で特定の糖鎖構造を認識して結合する。WGAが神経細胞表面の糖鎖に結合すると、細胞内顆粒に取り込まれて軸索輸送され、軸索末端からシナプス間隙に分泌されたのち、次の神経細胞表面の糖鎖に結合して輸送される。

注9)マイクロインジェクション
微量注入のこと。極めて小さい管を用いて、細胞の核や細胞質などに、各や様々な分子などの成分を注入すること。

注10)フィブロネクチン
細胞表面や細胞外マトリックスに存在する細胞を接着させる糖タンパク質。

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