ベッドサイドへの道：現代医療におけるiPSCの活用

1. パーキンソン病の病態メカニズムに関する研究

PARK2遺伝子ノックアウトiPSCモデルの構築によるパーキンソン病研究

パーキンソン病（PD）は、黒質致密部（SNc）の中脳ドパミン作動性ニューロンの進行性喪失を特徴とする治癒困難な神経変性疾患であり、これが線条体におけるドパミンの枯渇を引き起こす。特発性および家族性PDの発症メカニズムは、主にミトコンドリア機能障害と酸化的ストレスに起因するとされている。PARK2遺伝子（ミトコンドリア機能に重要な影響を持つ）の変異は、常染色体優性遺伝の家族性パーキンソン病を引き起こすことがある。

PDの病態解明には、PD関連遺伝子ノックアウト動物モデルが用いられてきたが、これらのモデルは軽度の病態表現型しか示さない。一方、家族性PD患者由来の誘導多能性幹細胞（iPSC）や、ゲノム編集によってPARK2変異を導入した細胞を用いることで、ヒトドパミン作動性ニューロンにおけるPD機能障害をin vitroで解析できる。PARK2変異を有するPD患者由来iPSC由来ニューロンは、酸化的ストレスの増加、α-シヌクレインの蓄積、および不整なミトコンドリア形態と機能障害を示す。

本研究では、WT-iPSCをベースとしてPARK2をノックアウトしたPARK2-KO-iPSCを生成し、WT-iPSCおよびPARK2-KO-iPSCをドパミンニューロンに分化させた。両者におけるタンパク質変化の経路解析から、PARK2-KOニューロンでは細胞周期、酸化的ストレス、エネルギー代謝の調節が破綻していることが明らかになった。さらに、様々な実験により、PARK2-KOニューロンは異常なミトコンドリア形態、不十分な解糖および乳酸代謝、および細胞増殖能と生存率の低下を示した。^[1]

2. 心筋梗塞に対する幹細胞療法

心筋梗塞に対する幹細胞療法：CCND2の過剰発現により、hiPSC由来心筋細胞の増殖能が向上する

近年、末期心不全（CHF）の治療は著しく進歩しているが、心筋細胞の再生能力の限界により、治療効果は依然として限定的である。進行性心不全の分子および細胞レベルの基盤は、損傷や死滅した心筋細胞が再生されないことに起因する。心筋再生を促進する戦略には、心臓の線維芽細胞を心筋細胞様細胞に再プログラムする方法、体幹細胞由来の幹/前駆細胞を移植する方法、および内因性幹細胞の動員や内因性心筋細胞の細胞周期活性化・増殖を促す治療法が含まれる。

本研究グループは、CCND2の過剰発現がhiPSC由来心筋細胞の増殖を促進することを既に示している。その後、ヒト誘導多能性幹細胞（hiPSC）をWT-CCND2またはOE-CCND2を有する心筋細胞（CCND2WT-CMsまたはCCND2OE-CMs）に分化させ、梗塞モデルブタ心臓に移植した。心筋機能、心筋細胞の増殖、病変部における新生血管形成、および心筋細胞の酸素耐性を評価した結果、WT-CCND2心筋細胞と比較して、CCND2の過剰発現（OE）により心筋細胞の増殖能と心筋修復能が強化され、梗塞領域の縮小と心機能の改善が認められ、良好な治療効果が示された。^[2]

3. 同種幹細胞免疫療法

同種幹細胞免疫療法：iPSCはin vitroで無限に培養可能であり、高効率でリンホイド系細胞に分化可能である。

適応性細胞療法とは、免疫細胞を隔離し、in vitro（体外）で操作した後に患者に投与する治療法である。特に、血液腫瘍および悪性腫瘍の治療を目的とした細胞または免疫療法の開発が注目されている。その一例として、キメラ抗原受容体（CAR）を用いた治療法がある。ユニバーサル（同種）細胞免疫療法には、CAR-T、TCR-T、NK細胞などがあり、広範な患者集団に適用可能な治療法として有望視されている。これらの療法は広範な応用可能性と治療効果を有するが、いくつかの課題も存在する。しかし、iPSCとゲノム編集技術の組み合わせにより、これらの課題の一部を克服できる。

CAR-T療法の原理は、腫瘍細胞表面抗原と一致するCAR分子をT細胞表面に発現させ、腫瘍細胞を特異的に殺傷することにある。一般的には、患者自身のT細胞を編集・変換してCAR-T細胞を生成するが、患者由来T細胞の増殖能や機能の制限、T細胞の編集困難、およびCAR-T細胞の調製に時間がかかることにより、治療の遅延が生じる。NK細胞療法の原理もCAR-T療法と類似しており、自己または同種の免疫効果細胞を分離し、in vitroで活性化した後、患者に投与して腫瘍を直接殺傷するか、宿主の抗腫瘍免疫反応を刺激する。しかし、NK細胞は増殖能が限定的であり、遺伝子操作も困難である。

iPSCと当社のゲノム編集技術を組み合わせることで、これらの課題を解決できる。iPSCはin vitroで容易に遺伝子改変が可能であり、免疫関連の遺伝子（HLAおよびTCR遺伝子）を編集することで、ユニバーサルCAR-T細胞の開発が可能となる。これにより、免疫原性の低減、適用範囲の拡大、効果の持続性および効率の向上が実現される。iPSCはin vitroで無限に培養可能であり、高効率でリンホイド様細胞に分化可能であり、一次細胞の数的制限や増殖困難という課題を解決する。iPSCからNK細胞への誘導成功率は高く、機能的表現型も成熟している。^[3]

4. アルツハイマー病薬剤スクリーニング

アルツハイマー病薬剤スクリーニング：Aβ42過剰発現iPSCの構築により、Aβ42阻害剤のスクリーニングが可能となる。

アルツハイマー病（AD）は、高齢期に発症し、進行性の認知機能および行動障害を特徴とする中枢神経系の変性疾患である。現在のところ、脳内におけるβ-アミロイド蛋白（Aβ42）の過剰蓄積が疾患の原因であると考えられている。Aβ42を阻害する薬剤のスクリーニングを行うためには、Aβ42を過剰発現するiPSC（Aβ42-OE-iPSC）を構築し、それをニューロン細胞に分化させ、高スループットスクリーニングにより効果的なAβ42阻害剤を同定することが可能である。

参考文献

[1] Bogetofte H, Jensen P, Ryding M, et al. PARK2 Mutation Causes Metabolic Disturbances and Impaired Survival of Human iPSC-Derived Neurons. Front Cell Neurosci. 2019;13:297. Published 2019 Jul 5. doi:10.3389/fncel.2019.00297

[2] Zhao M, Nakada Y, Wei Y, et al. Cyclin D2 Overexpression Enhances the Efficacy of Human Induced Pluripotent Stem Cell-Derived Cardiomyocytes for Myocardial Repair in a Swine Model of Myocardial Infarction. Circulation. 2021;144(3):210-228. doi:10.1161/CIRCULATIONAHA.120.049497

[3] Nianias A, Themeli M. Induced Pluripotent Stem Cell (iPSC)-Derived Lymphocytes for Adoptive Cell Immunotherapy: Recent Advances and Challenges. Curr Hematol Malig Rep. 2019;14(4):261-268. doi:10.1007/s11899-019-00528-6