科学者が初めて人間の脳オルガノイドとマウスの脳を融合し、双方向接続を持つハイブリッド神経系を作成

要約:

米国のスタンフォード大学の研究者らは、画期的な実験を完了しました。ヒト幹細胞から増殖させた皮質オルガノイドを、脳組織の一部が正常に発達していない遺伝子組み換えマウスに移植し、ヒトの神経組織とマウスの発達中の神経系の間に広範で安定した接続を確立しました。実験の結果、移植されたヒト組織はマウスの中で成長し続けるだけでなく、マウスの脳や脊髄との神経接続を形成し、マウスが起きている間も活性を維持することが示された。

この研究は Nature 誌に掲載されました。研究者らは、人間の脳オルガノイドを生きた動物の神経系に配置するこの方法が、人間の脳の発達、神経疾患、個別化された治療を研究するための新しいツールになると期待されていると考えている。また、科学者たちは、実際の生理学的環境に近い環境で人間の神経組織がどのように成長し、接続し、機能するかを初めて観察できるようになります。

近年、ヒト幹細胞を使用して三次元オルガノイドを成長させることが生物医学研究において重要な技術となっています。研究者はオルガノイドを使用して脳、肝臓、皮膚などの人間の組織をシミュレートし、病気のメカニズムを研究したり、組織の発生プロセスを観察したり、薬剤を試験したりすることができます。しかし、結局のところ、実験用シャーレ内のオルガノイドは比較的孤立した組織モデルにすぎず、実際の人体の複雑な血液供給、神経接続、さまざまな臓器間の相互作用が欠如しているため、一部の複雑な疾患の研究には依然として明らかな限界があります。

オルガノイドを生きた動物に移植すると、これらの問題の一部が解決される可能性がありますが、以前の研究では重要な限界にも直面していました。ヒトの脳組織は齧歯動物と同じ速度で発達するわけではなく、もしヒト皮質オルガノイドが正常に発達しているマウスやラットの脳に直接移植された場合、宿主動物の神経系は急速に成熟し、ヒト組織が成長を続けて複雑な結合を構築するためのスペースが制限される可能性がある。

そこでスタンフォード大学の研究チームは特別なマウスモデルを使用しました。彼らは、海馬と脳の外皮質を形成するのに必要な組織の一部を欠損するようにマウスを遺伝子操作し、ヒト皮質オルガノイドを移植するのに十分なスペースを残した。このようにして、マウスの脳が発達するにつれて人間の神経組織も成長し続け、より自然な方法で宿主の神経系と接続することができます。

研究者らは次に、ヒト幹細胞から増殖させた皮質オルガノイドをこれらのマウスの脳に移植しました。その結果、ヒトの組織はマウスの中で生き残っただけでなく拡大し続け、最終的にはマウスの皮質組織の約92％を占めることが示された。この規模は、従来のオルガノイド移植実験で通常達成される規模よりもはるかに高いです。

さらに重要なのは、これらの人間の神経組織は、マウスの脳から独立した「プラグイン臓器」にはならなかったということです。研究者らは、蛍光標識を使用して、ヒトオルガノイドのニューロンが多数の神経突起をマウス神経組織に伸ばし、宿主神経系との接続を確立していることを観察した。同時に、電気活動の検出により、人間の組織とマウスの脳の間で神経信号が交換されていることが明らかになりました。

実験では、この接続にはすでにいくつかの機能があることも示されています。研究者らは、マウスの運動行動を観察した結果、移植されたヒトの神経組織がマウスの四肢の運動活動に影響を与える可能性があることを発見した。これは、ヒトの組織がマウスの脳内に受動的に存在するだけでなく、宿主の神経系の機能にある程度関与していることを意味する。

セントビンセント病院の神経科学者であるブライス・ヴィッセル氏は、この研究には関与していないが、この結果は神経疾患に対する患者固有の治療法を開発するための新たな研究手段を提供する可能性があると考えている。同氏は、ヒトに移植された組織はマウスの脳と脊髄に接続でき、動物が起きている間も活動を続けることができ、これにより病気の脳を修復する方法に関する将来の研究に新たな可能性が開かれたと述べた。

しかし、この実験は明らかな倫理的問題も引き起こします。研究者たちは実際に、ヒトとマウスの神経組織から構成されるハイブリッド神経系を作成しました。宿主動物におけるヒト組織の占める割合がますます高くなり、成熟するにつれて、この動物が通常のマウスと異なる神経学的能力を有するかどうかをどのように判断するかが避けられない問題となっている。

ヴィッセルは、真に決定的な追跡実験は、移植されたヒト神経組織を積極的に強化または抑制し、それに応じてマウスの知覚、学習能力、または行動が変化するかどうかを観察することであると考えています。マウスのこれらの能力が人間の組織の活動に反応して変化するのであれば、それは人間の神経組織がすでに動物自身の能力に因果関係を持っていることを意味するでしょう。

モナシュ大学の計算神経科学者であるアディール ラジ氏も、動物の神経系とともに移植組織の成熟度、規模、機能統合が将来的に増加し続けるにつれて、関連する倫理問題がますます顕著になるだろうと考えています。研究に値する本当の課題は、単に「マウスの脳が人間化されたかどうか」を判断することではなく、人間以外の動物環境で発達・学習した後、人間の脳細胞の神経計算方法がどのように変化するかを観察することである、と同氏は考えている。

研究チームは、この実験は現在適用されている倫理規制と安全要件に準拠していると述べました。しかし、研究者らはまた、マウスの脳におけるヒト神経組織の割合が将来的にさらに増加する場合、または移植されるヒト組織がより成熟する場合には、技術が成熟してからこれらの問題に受動的に対処するのではなく、対応する倫理規範を事前に確立する必要があることも明確に指摘した。

倫理的な論争にもかかわらず、このテクノロジーには依然として広範な医学研究的価値があります。研究者らは、人間の脳組織と生きた動物を組み合わせたこのモデルを利用して、人間の脳の発達過程をより深く研究し、患者自身の細胞を使用して神経組織を成長させ、より個別化された治療法を開発する方法を探求したいと考えている。将来的には、このようなモデルは神経疾患の研究にも使用され、患者が明らかな症状を発現する前に科学者が疾患に関連した生物学的変化を探すのに役立つ可能性があります。

この研究の重要性は、従来の脳オルガノイドの限界をさらに打ち破ることです。これまで科学者は、ペトリ皿内で比較的孤立した人間の神経組織の塊を観察することしかできませんでした。現在、ヒトの脳オルガノイドは、生きている動物の脳環境で発達し続け、宿主の神経系と実際の機能的接続を形成することができます。関連技術が発展し続けるにつれて、人間の神経組織が動物の中でどの程度発達できるのか、そしてこのハイブリッド神経系を倫理的にどのように定義すべきかは、将来の神経科学研究において直面する必要がある重要な問題となるでしょう。