世界で初めてヒトｉＰＳ細胞から３次元腎臓組織作成に成功
～腎臓再生医療への扉を開く～

ポイント

• 腎臓の大部分は胎児の下半身の元となる特殊な細胞（体軸幹細胞）に由来することを発見した。
• 胎児の体軸幹細胞から腎臓の元となる細胞（腎臓前駆細胞）を作成するのに必要なたんぱく質（成長因子）の組み合わせを同定した。
• マウスＥＳ細胞とヒトｉＰＳ細胞から試験管内で腎臓前駆細胞を作成する方法を確立し、世界で初めて３次元の腎臓組織を作成することに成功した。

＜研究の背景＞

腎不全による人工透析患者数は増加の一途をたどり、医療費増大の一因ともなっていることから、社会的問題にもなっています。しかし、腎移植の機会は限られており、山中教授らによるｉＰＳ細胞の発明を契機に再生医療への期待が高まっています。

各々の臓器はそれぞれ複数の種類の細胞が集まってできていますが、そのほとんどの細胞の元になる「前駆細胞」という多能性を持つ細胞がまず胎児期に形成され、成長するにつれ増殖、分化（成熟）することにより臓器は形成されます。従って、臓器の再生にあたってはまずこの臓器ごとの「前駆細胞」の作成がまず目標とされ、多くの臓器（網膜、心臓、膵臓、軟骨）でここまではクリアされてきました。そして実際の臨床応用に向けては、さらに大人の細胞と同じような「機能を持つ細胞」にいかに成熟させるかというところに主眼が移りつつあります。

一方で、腎臓領域においてはこの臓器の前駆細胞、「腎臓前駆細胞」を作ることすら極めて困難でした。臓器の前駆細胞作成にあたっては、基本的に胎内でその臓器前駆細胞が作られる仕組み（発生過程）を試験管内で模倣するという戦略が一般的ですが、腎臓においてはこの前駆細胞の発生過程そのものが解明されていなかったからです。

＜研究の内容＞

そこで我々は、腎臓前駆細胞の発生過程を解析することから始めました。発生過程を理解し、模倣するには具体的には２つの要素が大事になります。それは、①「どのような細胞」に、②「どの成長因子」が働けば目的の細胞（腎臓前駆細胞）に向かって分化（成熟）するかということです。

この２つの要素を明らかにするために、まず将来腎臓前駆細胞になる予定の細胞とされている「中間中胚葉^注８）」が緑に光る遺伝子改変マウス（Ｏｓｒ１－ＧＦＰノックインマウス^注９））を作成しました。この中間中胚葉細胞に実際に様々な成長因子を加えて腎臓前駆細胞の作成を試みましたがうまくいかず、代わりに、初期段階でＯｓｒ１を発現しない細胞群の中に腎臓前駆細胞の元になる細胞が存在することが示唆されました。これまで胎児はごく初期の段階で全身のおおよその形が形成され、それがそのまま大きく成長すると考えられてきました。しかし近年、胴体の下半身は頭部・胸部ができ上がった後に、下半身専用の細胞「体軸幹細胞」から作られるという説が提唱されています（図１参照）。そこで、実際にこの体軸幹細胞を含む領域に発現する遺伝子改変マウス（Ｔ－ＧＦＰノックインマウス）を用いて解析した結果、腎臓前駆細胞は下半身専用の細胞、「体軸幹細胞」から発生することを初めて見出しました（図２参照）。

こうして腎臓前駆細胞の元になる細胞が同定されたため、実際にこの細胞をマウスの胎児から回収し、試験管内で「どのような成長因子」を加えれば腎臓前駆細胞になるかを検討しました。その結果、３つのステップに分けて、計５種類の成長因子（アクチビン、Ｂｍｐ、Ｗｎｔ、レチノイン酸、Ｆｇｆ）をそれぞれ組み合わせと濃度を適正化して加えると効率的に腎臓前駆細胞を試験管内で作成できることが分かりました（図２参照）。次にマウスＥＳ細胞を用いて、どのような成長因子を加えれば腎臓前駆細胞の元となる体軸幹細胞が作成できるかを検討し、２つのステップで誘導できることを見出しました。実際にこの細胞に、先の成長因子を加えると、計５ステップを経て腎臓前駆細胞ができることが分かりました（図３参照）。

ＥＳ細胞から前駆細胞ができたため、次に、腎臓が機能するために必要な糸球体と尿細管という３次元構造の再構築を試みました。その結果、これまでにマウス胎児の腎臓前駆細胞から３次元構造を作成する際に用いられていた方法（Ｗｎｔを分泌する細胞、もしくは胎児の脊髄と一緒に培養する）で糸球体と尿細管の両方が形成されました。つまり、マウス胎児に存在する腎臓前駆細胞と同等の能力を持つ細胞がマウスＥＳ細胞から作成できたことが確認されました。さらに、ヒトｉＰＳ細胞でも同様の方法で、腎臓前駆細胞、さらには３次元の腎臓組織が作成できました（図３、図４参照）。

これまでにも腎臓前駆細胞を試験管内で作成したという報告はありましたが、そのいずれもごく少数の管様構造の形成能しか示されておらず、明確な糸球体と尿細管を含む３次元の腎臓組織を作ったという報告は世界で初めてであり、腎臓の再生医療の扉を開ける成果と言えます。

＜今後の展開＞

現段階では再生組織を移植することで血管を含む３次元構造までは形成されていますが、実際にそこから尿を産生する程度に機能的に成熟させるには至っていません。今後はこの成熟化をいかにして試験管内もしくは移植組織で実現するか、また尿が産生されたとしてその尿を排出するための組織（尿管芽）をどのようにして作成するかという課題が残されます。また、これらをすべて実現できたとしても、そこから大人の体を維持するのに必要な大きさの腎臓にまでどのように大きく成長させるのかを含めて考えると依然臨床応用には相応の時間が必要と考えられます。とはいえ、今回の成果をきっかけに、これまで困難と考えられてきた腎臓の再生医療研究、さらには腎臓病の原因解明と新薬の開発が一気に加速するものと期待されます。

＜参考図＞

＜用語解説＞

注１）ＥＳ細胞

受精卵から作られた胚性幹細胞。

注２）ｉＰＳ細胞

皮膚から作られた人工多能性幹細胞。

注３）糸球体

腎臓の機能単位の一部で、血液をろ過するための毛細血管の集合体とその周りを覆う糸球体上皮細胞から構成されるユニット。

注４）尿細管

腎臓の機能単位の一部で、糸球体でろ過された尿の元から、その中に含まれる必要な栄養分や水分を再吸収する管構造。

注５）腎臓前駆細胞

糸球体や尿細管などの腎臓の大部分の元になる細胞。

注６）体軸幹細胞

初期の胎児の尾部に存在し、体の下半身を形作る元となる細胞。

注７）成長因子

胎児の発生過程においてその形成をつかさどるたんぱく質。

注８）中間中胚葉

マウスの初期の発生過程に存在する、腎臓や生殖器の元となるとされている細胞群。

注９）ノックインマウス

遺伝子改変技術により、蛍光タンパク質などの外来遺伝子を人工的に組み込んだマウス。

＜論文名＞

Redefining the in vivo origin of metanephric nephron progenitors enables generation of complex kidney structures from pluripotent stem cells
Cell Stem Cell on line Dec 12, 2013

Atsuhiro Taguchi, Yusuke Kaku, Tomoko Ohmori, Sazia Sharmin, Minetaro Ogawa, Hiroshi Sasaki, and Ryuichi Nishinakamura

＜お問い合わせ先＞

＜研究に関すること＞

熊本大学 発生医学研究所 腎臓発生分野　教授
西中村 隆一（ニシナカムラ リュウイチ）
Tel：096-373-6615
E-mail：

＜ＪＳＴの事業に関すること＞

科学技術振興機構 戦略研究推進部 ライフイノベーショングループ
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