胚性幹細胞

胚性幹細胞（ES細胞）

胚性幹細胞は、英語の「embryonic stem cells」の頭文字を取り、一般的にES細胞として知られています。これは、動物の発生過程で非常に早い段階にあたる胚盤胞期に存在する内部細胞塊から作られる、特殊な能力を持つ細胞の集まり（細胞株）です。体細胞を reprogramming して作製される人工多能性幹細胞（iPS細胞）とは、その起源が異なります。

ES細胞の最大の特徴は、生体外での培養条件下で、理論上は体のあらゆる組織や細胞に変化できる分化多能性を維持しつつ、ほぼ無限に増殖できるという性質です。この特異な能力から、ES細胞は有力な万能細胞の一つと位置づけられ、傷ついた組織や病気を修復する再生医療への応用が強く期待されています。

また、マウスなどの動物由来のES細胞は、培養後に初期胚に戻して発生させることで、生殖細胞を含む個体内の様々な組織に分化させることが可能です。高い増殖能力を利用して、遺伝子に様々な操作を加えることも容易です。例えば、相同組換えという技術を使って特定の遺伝子を意図的に機能させなくしたり（ノックアウトマウス）、目印となるマーカー遺伝子を導入したりすることが可能です。こうした特性から、ES細胞は既に基礎医学研究の分野で幅広く活用されています。

作製法と性質

ES細胞を作製する一般的な方法は、まず受精卵が胚盤胞の段階に達したところで胚を取り出すことから始まります。次に、胚盤胞の内部にある内部細胞塊を分離し、フィーダー細胞と呼ばれる支持細胞（通常はマウス胚線維芽細胞が用いられます）と一緒に培養します。すると、内部細胞塊由来の細胞が増殖を開始します。内部細胞塊は、胎盤のような胚体外組織を除く、個体を構成する全ての組織のもととなる細胞集団です。増殖した細胞をバラバラにし、再びフィーダー細胞上に植え継ぐ操作を繰り返すことで、安定したES細胞株が樹立されます。

細胞の分化を抑制し、未分化な状態を維持するためには、適切な培養条件が必要です。マウスES細胞の場合は、LIF（白血病阻止因子）という物質を加えることが有効ですが、ヒトES細胞ではLIFは不要で、代わりにbFGF（塩基性線維芽細胞増殖因子）が必要とされます。ES細胞は外部からの刺激によって比較的容易に分化を始めてしまうため、多能性を保ったまま安定して増やし続けるためには細心の注意が求められます。ES細胞特有の性質を示す指標として、Oct3/4、STAT3、Nanogといった特定の遺伝子の高い発現が知られています。

歴史的背景

ES細胞の研究の端緒は、1964年に腫瘍であるテラトカルシノーマから単離された細胞（後に胚性腫瘍細胞、EC細胞と呼ばれる）に多能性が見出されたことに遡ります。EC細胞は初期胚発生のモデルとして研究に利用されましたが、しばしば遺伝的な異常を伴うことが課題でした。このため、より正常な細胞集団である内部細胞塊から直接多能性細胞を樹立する必要性が認識されるようになりました。

マウスES細胞は、1981年に二つの研究グループによってほぼ同時期に樹立されました。ケンブリッジ大学のマーティン・エヴァンズとマシュー・カウフマンのチームが最初に報告し、続いてカリフォルニア大学サンフランシスコ校のゲイル・R・マーティンが「胚性幹細胞」という言葉を生み出し、培養技術を発表しました。そして、1998年にはウィスコンシン大学マディソン校のジェームズ・トムソンらの研究チームが、ヒトES細胞の単離と培養に世界で初めて成功し、再生医療研究に新たな扉を開きました。

ヒトES細胞を巡る倫理的課題

ヒトES細胞の作製には、受精後まもない初期胚が必要となります。これは、受精卵の段階から生命の萌芽とみなす考え方においては、ES細胞を作る過程で胚を破壊することが倫理的な問題を引き起こす原因となります。そのため、生命倫理の観点から、特にヒトES細胞の作製に関しては国際的に様々な議論があり、各国の規制も異なります。例えば、かつての米国ブッシュ政権下では公的研究費による新たなヒトES細胞株の樹立が制限されるなど、胚の破壊を伴う作製を認めない国もあります。一方、パーキンソン病、脊髄損傷、糖尿病など、これまで治療が困難だった疾患に対する画期的な治療法を生み出す可能性に焦点を当て、研究を積極的に支援する国もあります。

日本では、体外受精による不妊治療で使われずに廃棄されることが決まった余剰胚の利用に限って、ヒトES細胞の作製が認められています。こうした倫理的な懸念を軽減するため、新たな技術開発も進んでいます。2006年には、胚盤胞以前の卵割期胚から単一の割球だけを取り出してES細胞を樹立する技術がマウスとヒトで報告されました。これにより、胚のその後の発生能力を損なわずにES細胞を得ることが可能となりました。また、発生が停止してしまったヒトの胚からES細胞を樹立する研究も成功しており、不妊治療における廃棄胚の有効活用につながると期待されています。

再生医療への応用と克服すべき課題

ヒトES細胞を用いた再生医療は、現在も開発段階にあり、臨床での広範な実施には至っていません。ES細胞を再生医療に応用するためには、まず目的とする特定の細胞へと正確かつ効率的に分化させる技術が不可欠です。神経細胞、心筋細胞、膵臓のインスリン産生細胞など、様々な種類の細胞への分化誘導法が盛んに研究されています。分化させた細胞を分離・精製した後、患者への移植が行われます。

しかし、移植医療においては、主要組織適合抗原（MHC）の違いによる免疫拒絶反応が大きな壁となります。患者自身の細胞と同じMHCを持つES細胞を移植できれば拒絶反応を回避できます。動物においては、体細胞の核を受精卵に移植してクローン胚を作り、そこからES細胞（体細胞由来ES細胞）を樹立する体細胞核移植の技術が確立されています。ヒトでも技術的には可能と考えられていますが、成功率の低さや、クローン胚を子宮に戻せばクローン人間の誕生につながる倫理的な問題から、多くの国でヒトでのクローンES細胞の作製は禁止されています（難病治療研究目的での限定的な容認の動きもあります）。この倫理的問題を避けるため、樹立済みES細胞と体細胞を融合させて多能性細胞を作る手法や、遺伝子編集でMHCを操作する研究なども進められています。

また、ES細胞を長期間培養し続けると、染色体や遺伝子の異常が蓄積し、がん化のリスクが増加する可能性も指摘されています。このため、医療に用いる際は、樹立後間もない、遺伝的に安定した細胞株を選ぶ必要があります。かつては、動物由来成分を含む培地で培養されることが一般的でしたが、現在ではこれらの課題を克服し、動物由来成分を含まない安全な培地を用いた培養法が標準となっています。

ES細胞を用いた臨床研究と応用例

ES細胞を用いた臨床試験は世界中で慎重に進められています。過去には、米国の企業が脊髄損傷患者への治験を開始しましたが、後に撤退しています。近年では、日本の国立成育医療研究センターが、遺伝性の難病である尿素サイクル異常症の赤ちゃんに対し、ヒトES細胞から作った肝細胞を移植する臨床試験を実施し、成功を収めました。これは国内初、かつES細胞由来肝細胞移植としては世界初の試みであり、2023年には承認申請を目指す発表がされています。また、海外の製薬企業がES細胞を用いたパーキンソン病の治験を計画するなど、実用化に向けた動きが見られます。

ES細胞の研究応用事例

ES細胞は、疾患メカニズムの解明や薬剤開発にも貢献しています。例えば、遺伝性疾患患者の体細胞核を移植して得たntES細胞から病気の細胞を分化させることで、生体から組織を取り出すことなく、その病気特有の性質を持つ細胞を大量に準備できます。これにより、病気の原因研究や薬剤の候補物質の選別（スクリーニング）が効率的に行えます。実際に、遺伝病を持つ患者由来のES細胞株が樹立され、研究に活用されています。

また、ES細胞を用いた発生学的な研究も進んでいます。2013年にはヒトクローン胚の作製成功が報告され、2014年にはヒトのES細胞やiPS細胞から精子や卵子の元となる始原生殖細胞を安定して作る技術が開発されました。これは、不妊の原因解明や将来的な治療法開発につながる可能性を秘めています。さらに、ES細胞から小脳組織のような特定の脳領域を立体的に作り出す研究なども成功しています。

日本では、京都大学などが不妊治療で提供された余剰胚からES細胞を樹立し、研究機関や企業へ配布する体制を整えるなど、ES細胞を用いた研究開発の推進が図られています。

iPS細胞との関係

2006年に京都大学の山中伸弥教授らがマウスで、翌2007年にはヒトで、体細胞に特定の遺伝子を導入することでES細胞と似た分化多能性を持つ人工多能性幹細胞（iPS細胞）を樹立することに成功しました。これは再生医療分野に大きな衝撃を与え、山中教授にはノーベル賞が授与されました。iPS細胞は、ES細胞のように初期胚を用いる必要がないため、倫理的な課題を回避できる可能性があり、また患者自身の細胞から作製すれば移植時の拒絶反応も解決できることから、ES細胞に代わる細胞として注目されています。

しかし、iPS細胞の研究はES細胞の研究に深く根ざしており、両者の性質や分化能力を比較検討することは、細胞の安全な医療応用を進める上で不可欠です。したがって、iPS細胞が登場した後も、ES細胞は細胞生物学や再生医療研究における重要なツールとして、その研究は続けられています。

ES細胞とiPS細胞は、それぞれの特性を活かし、相互に補完し合いながら、病気のメカニズム解明や難治性疾患の新たな治療法開発に貢献していくことが期待されています。

参考文献・関連情報
（入力には参考文献情報が含まれていましたが、辞書記事の本文としては省略しました。）

関連項目
胚、培養細胞、万能細胞、生命倫理学、クローン、成体幹細胞、テラトーマ、EG細胞、人工多能性幹細胞（iPS細胞）、エピジェネティクス

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