30年にわたる矛盾したアストロサイトの研究がついに結論に

アストロサイトは神経系の重要な構成要素です。これらは神経ネットワークの維持と保護に重要な役割を果たしており、複雑で多様な機能を持っています。アストロサイトが電気シグナル伝達に関与しているかどうかは長年の疑問であり、これまでの試験管内実験では矛盾する結果が得られている。ネイチャー誌に最近発表された研究では、エキソサイトーシスを通じてグルタミン酸を放出し、神経系の電気信号伝達に関与できるアストロサイトの特定のサブポピュレーションの存在が初めて確認されました。

著者：ベロニカ（清華大学医学部）

神経系は主に、ニューロンと神経膠細胞（グリア細胞とも呼ばれる）の 2 種類の細胞で構成されています。長い間、神経系の機能活動は主にニューロンによって行われ、グリア細胞はニューロンのサポート、栄養、保護などの補助的な機能のみを持つ「背景細胞」であると考えられてきました。しかし、関連する研究が深まるにつれて、この見解は徐々に疑問視されるようになり、グリア細胞の役割はそれ以上のものであることが判明しました。

2023年9月、ネイチャー誌に掲載された論文では、エキソサイトーシスを通じてグルタミン酸を放出し、神経系の電気信号伝達に関与できる特定のアストロサイトのサブポピュレーションが存在することが初めて確認されました。この発見は従来の認識を覆し、アストロサイトが神経系において重要な生理学的役割を果たしていることを明らかにし、複雑な神経疾患の治療に対する新たなアイデアも切り開きます。

01

アストロサイト：最も数が多く、機能的に複雑なグリア細胞

グリア細胞は、1856年にドイツの病理学者ルドルフ・ヴィルヒョウ（1821-1902）[1]によって、脳と脊髄のニューロンを結びつける結合組織として初めて記述されました。グリアという語は、接着剤を意味するギリシャ語に由来しており、ニューロンを「接着」して緊密な神経ネットワークに編み込むという、グリア細胞の機能に関する科学者の初期の理解も反映している。ヒトの中枢神経系では、グリア細胞の数はニューロンの10～50倍、1～5 x 10^12個に達する[2]。ニューロンと同様に、グリア細胞も表面に突起を持っていますが、樹状突起と軸索の区別はありません。これらは互いに化学シナプスを形成することはできませんが、ギャップ結合を介して接続されます。ニューロンとそのプロセスを森林に例えると、グリア細胞は木の幹に巻き付いてクモの巣を織り成す森林の菌類です。

実際、グリア細胞は単一の種類の細胞ではなく、複数の種類の細胞を含みます。中枢神経系では、グリア細胞には主にアストロサイト、オリゴデンドロサイト、ミクログリアが含まれます。末梢神経系では、主にシュワン細胞と衛星細胞が含まれます。

図 1. 中枢神経系の蛍光顕微鏡画像。ここでは、ニューロン (青) が、アストロサイト (赤) やオリゴデンドロサイト (緑) を含む多数のグリア細胞に囲まれています。 |画像出典: ジョナサン・コーエン/NIH

今日の主役はアストロサイトです。アストロサイトは、中枢神経系で最も数が多く、機能的に複雑なグリア細胞です。神経系の恒常性維持に欠かせない成分であり、グリア細胞の中でも「スター」といえる存在です。

1871年、有名なゴルジ体の発見者であるイタリアの神経解剖学者で病理学者のカミッロ・ゴルジ（1843-1926）は、有名なクロム酸硝酸銀染色技術を発明しました[3]。彼は顕微鏡下でアストロサイトの形態を観察し、それを原形質型と繊維型という 2 つの基本的なサブタイプに分類しました。従来の見解では、前者は主に灰白質に分布しており、短くて太い突起と多数の枝を伴います。後者は主に白質に分布しており、長くてまっすぐな突起とより少ない枝を持っています。しかし、この分類方法ではアストロサイトの異質性が大幅に過小評価されます。実際、さまざまな脳領域や皮質層のアストロサイトは、転写レベルと機能レベルの両方で非常に異質です。しかし、この異質性がどのように形成されるかについては、まだ合意が得られていません。

アストロサイトは、さまざまな種の中枢神経系の約20～50％を占めています[4]。多数のアストロサイトがニューロンに隣接して接着しており、その長い突起が脳と脊髄内のネットワークに織り込まれ、ニューロンを支える足場を形成しています。アストロサイトの突起の末端は膨張して血管周囲足を形成し、血液脳関門 (BBB) の形成に関与します。これらの突起はニューロンの神経終末を包み込み、異なる求心性線維が互いに干渉するのを防ぎ、中枢神経系内のさまざまな領域を隔離する役割を果たします。

これらの基本的な機能に加えて、科学者たちはアストロサイトがより複雑な機能を持つことを発見しました。例えば、アストロサイトはニューロンから放出された神経伝達物質（グルタミン酸とγ-アミノ酪酸（GABA））を取り込み、グルタミンに変換することができます。これらの神経伝達物質はニューロンの表面にある受容体を活性化して興奮させ、隣接するニューロン間での電気信号の伝達を可能にします。グルタミンは受容体を活性化することができないため、ニューロンが継続的に興奮するのを防ぎます。また、リサイクルのためにニューロン内に戻され、ニューロンが新しい神経伝達物質を合成するための原料を提供することもできます。

人間の脳は体重の約 2% を占めますが、体内のブドウ糖の 20% を消費します。その中で、ニューロンはエネルギー需要が最も高く、継続的なグルコースの供給を必要とします。アストロサイトは血液からブドウ糖を取り込み、それをグリコーゲンに変換して貯蔵したり、ラクトースに変換して活動ニューロンに電力を供給したりすることができます。この代謝プロセスは、アストロサイトとニューロン間の抗酸化物質交換システムと密接に関連しており、ニューロンへの酸化ストレスによる損傷を軽減するのに役立ちます。さらに、アストロサイトはさまざまな神経栄養因子を生成でき、これらはニューロンの成長、発達、生存、機能の完全性に重要な役割を果たします。

発達の過程で、アストロサイトはニューロンの移動を誘導し、シナプスを刈り込み、シナプスの形成と機能を調節する役割を果たします。また、中枢神経系で抗原提示細胞として機能し、T リンパ球に抗原を提示して免疫反応を引き起こします。

ニューロンとは異なり、グリア細胞は生涯にわたって分裂し増殖する能力を持っています。脳や脊髄が損傷して変性した場合、組織の欠損を埋めるために主にアストロサイトの増殖に依存します。しかし、過度の増殖はグリア細胞腫瘍の形成につながる可能性があり、それがてんかん発作の病巣となる可能性もあります。研究では、グリア細胞を体外でニューロンに分化させることは可能であり、さまざまな神経変性疾患の治療に期待が寄せられていることが示されています[5]。しかし、グリア細胞からニューロンへの変換はまだ不可能であると信じ、反対の見解を持つ学者もいます。彼らは系統追跡技術を用いて、グリア細胞がニューロンに変化したのではなく、一部の内因性ニューロンが誤って分類されたことを確認した[6]。

図 2. アストロサイトの蛍光顕微鏡画像。 |クレジット: デビッド・ロバートソン、LCR / サイエンスフォトライブラリー

02

議論は続く：アストロサイトは電気シグナル伝達に関与できるのか？

上記の紹介から、アストロサイトの機能に関する研究は重要な最先端トピックの 1 つであり、まだ探求すべき未知の部分が数多くあることがわかります。その中には、何十年も続いている疑問があります。それは、アストロサイトが神経系における電気信号の伝達に関与しているかどうかです。

電気信号の伝導は神経系の正常な機能の基礎であり、生命活動の維持、環境の変化への適応、生物の複雑な機能の実現に不可欠です。電気信号伝導の異常は、神経変性疾患、てんかん、疼痛障害など、さまざまな疾患の発生につながる可能性があります。学術界のこれまでの理解では、神経系の中で電気信号を伝導する機能を持つのはニューロンのみである。一部の学者は、アストロサイトが電気信号の伝導に関与している可能性があると考えていますが、決定的な証拠はまだありません。

1990年に、米国のイェール大学医学部の研究チームは、試験管内培養条件下では、グルタミン酸が海馬アストロサイト内の遊離カルシウムイオンのレベルの上昇を引き起こす可能性があることを発見しました[7]。この研究では、グルタミン酸受容体がアストロサイトの表面にも存在することが確認され、神経電気信号の伝達に関与している可能性が示唆された。

1994年、アイオワ州立大学動物学・遺伝学部の研究チームが、試験管内アストロサイト・ニューロン共培養システム[8]を構築し、ブラジキニンを添加するとアストロサイト内のカルシウムイオン濃度が上昇し、グルタミン酸の放出が誘導されることを発見しました。放出されたグルタミン酸はニューロン表面のグルタミン酸受容体に結合し、ニューロン内のカルシウムイオン濃度の上昇を引き起こします。しかし、アストロサイトを含まない単離ニューロン培養システムでは、ブラジキニンを添加してもニューロン内のカルシウムイオン濃度に変化は生じません。これは、体外培養条件下では、アストロサイトがグルタミン酸を放出してニューロンに電気信号を伝達できることを示しています。

1997年、イタリアのミラノ大学薬理学研究所のアンドレア・ヴォルテッラのチームは、逆の結論も真実であることを発見しました[9]。つまり、アストロサイトはニューロンからの電気信号に反応できるということです。研究者らは蛍光共焦点顕微鏡を用いてラットの脳切片を観察し、神経求心性線維を刺激するとアストロサイト内のカルシウムイオン濃度に変動（振動）が生じること、またカルシウムイオン濃度の変動頻度が神経線維が受ける刺激パターンに関係していることを発見した。

図3. 「三重シナプス」理論の模式図。シナプス前ニューロン：シナプス前ニューロン。シナプス後ニューロン：シナプス後ニューロン;アストロサイト：アストロサイト; Ca2+: カルシウムイオン濃度; nt（神経伝達物質）：ニューロンから放出される神経伝達物質。 gt (グリオ伝達物質): グリア細胞から放出される神経伝達物質 |画像出典：参考文献[10]

一般的な理論では、ニューロン間の信号伝達プロセスは、シナプス前ニューロンが神経伝達物質を放出し、それがシナプス後ニューロンの表面にある受容体を活性化し、細胞内のカルシウムイオン濃度の変動を引き起こし、それによってシナプス後ニューロンが興奮するというものです。アストロサイトが電気信号伝達に関与している可能性があることを発見した後、一部の学者は「三者シナプス」理論を提唱しました[10]。この理論によれば、シナプスにおける電気信号の統合と伝導にはシナプス前終末とシナプス後終末だけでなく、隣接するシナプス周囲アストロサイトもこの過程に関与していると考えられています。

2000年から2012年の間に、この分野では100本以上の論文が発表され、シナプスを介した神経電気信号の伝達におけるアストロサイトの関与を裏付けています。しかし、データの収集と解釈の合理性を疑問視する反対意見もある。反対の見解は、ほとんどの実験は体外で培養されたアストロサイトで行われたため、アストロサイトが神経伝達物質を放出するプロセス（グリア伝達）が実際に体内で起こることを証明できないというものです。

最も強力な生体内証拠は、アストロサイトからの小胞放出が阻害されるトランスジェニックマウスモデルから得られます。しかし、2014年に、アストロサイトの研究で広く使用されているこのマウスモデルに欠陥があることを一部の研究者が発見しました[11]。これにより、このマウスモデルを使用したすべての研究の信頼性に疑問が生じています。このマウスモデルでは、研究者らはグリア線維性酸性タンパク質（GFAP）プロモーターを使用して、小胞の輸送および放出プロセスにおける重要なタンパク質（SNARE）をノックアウトし、伝達物質の放出を阻害しました。これまでの研究では、GFAP はアストロサイトでのみ特異的に発現していると考えられていましたが、後に一部のニューロンでも GFAP が発現することが発見されました。したがって、このマウスモデルには「オフターゲット効果」があります。 SNARE をノックアウトした後に観察される生物学的効果は、アストロサイトの伝達物質放出プロセスが生体内に存在し、生理学的機能を持っていることを証明することはできません。これは、この効果が一部のニューロンからの伝達物質放出の阻害に関連している可能性があるためです。

アストロサイトの機能について上で述べたように、ほとんどの学者は、アストロサイトがニューロンから放出されたグルタミン酸を吸収し、それによって神経伝達物質がニューロンに及ぼす持続的な影響を排除できることに同意しています。しかし、アストロサイトがグルタミン酸を放出することで神経電気信号の伝達に関与できるかどうかを確認するには、より直接的な証拠がまだ必要です。

03

ネイチャー誌の最新研究は、アストロサイトが神経電気信号の伝導に関与していることを証明した。

1997 年にニューロンがアストロサイトに電気信号を伝達できることが発見されて以来、アンドレア・ボルテラのチームはアストロサイトとニューロン間のシグナル伝達の研究に尽力し、この分野で顕著な貢献を果たしてきました。 2023年9月、ネイチャー誌はヴォルテラのチーム[12]による「特殊なアストロサイトが中枢神経系におけるグルタミン酸作動性グリア伝達を媒介する」と題する研究論文を掲載し、神経電気信号の伝導におけるアストロサイトの関与を強く示唆する証拠を示した。

図 4. Volterra チームによる最新の研究論文。 |画像出典：参考文献[12]

研究者らは、オープンソースのマウス海馬単一細胞RNAシーケンシングデータ8件とマウス海馬単一細胞パッチクランプシーケンシングデータ（patch-seq、電気生理学、形態学、トランスクリプトミクスの観点から単一ニューロンのマルチモーダル特性評価を行うことができる技術）を統合して分析することにより、マウス海馬アストロサイトを異なる分子特性を持つ9つのサブポピュレーションに分類し、サブポピュレーションのうち1つだけが、エキソサイトーシス（細胞内小胞が細胞膜と融合して小胞内の物質を細胞外に輸送するプロセスで、神経伝達物質放出の重要なメカニズムである）、カルシウムイオン調節性エキソサイトーシス、神経伝達物質分泌の調節、およびグルタミン酸分泌の調節に関連する遺伝子を選択的に発現していることを発見しました。これは、このアストロサイトのサブポピュレーションが理論的には電気信号伝達に関与できることを意味します。しかし、このアストロサイトのサブポピュレーションは、マウスの脳領域全体、さらには特定の神経回路内でも不均一に分布しています。

このアストロサイトのサブポピュレーションがヒトの脳内に存在するかどうかを確認するために、研究者らは、3 つのオープンソースのヒト海馬単一細胞トランスクリプトーム配列データで発見した特定の分子マーカーを検索しました。結果により、グルタミン酸を放出できるアストロサイトのサブポピュレーションがヒトの海馬にも存在することが確認されました。

図5. in vitro実験の模式図。ウイルスベクターをマウスの脳切片に注入してから6～8週間後、研究者らは2光子共焦点顕微鏡を使用してアストロサイトの画像化を行った。 |画像出典：参考文献[12]

単一細胞トランスクリプトーム配列解析の結果は驚くべきものですが、まだ間接的な証拠にすぎません。特定のアストロサイトがグルタミン酸を放出できることを直接確認するために、ボルテラ氏のチームは二光子共焦点顕微鏡を使用して、グルタミン酸分泌アストロサイトが豊富に存在すると予測されるマウス脳の歯状回の背側分子層における伝達物質の放出を観察しました。研究者らは、マウスのアストロサイトで選択的に発現したグルタミン酸受容体を画像化に使用し、神経伝達物質の放出による干渉を排除するために実験システムにシナプス放出阻害剤を追加しました。研究チームは、生体内でGタンパク質共役受容体（GPCR）によって媒介されるカルシウムイオン濃度依存性のグルタミン酸伝達物質放出プロセスをシミュレートするために、実験用マウスのアストロサイト内でクロザピンN-オキシド（CNO）によって活性化されるGPCR受容体を発現させた。研究者らは、マウスの脳切片にCNOを局所的に添加した後、一部のアストロサイトでグルタミン酸伝達物質の放出を観察し、これらのアストロサイトがグルタミン酸放出「ホットスポット」領域として知られる特定の領域に集中していることを発見した。研究者らは、ウイルスベクターをマウスの脳切片に注入することで、マウスのアストロサイト内の小胞グルタミン酸トランスポーター1（VGLUT1）を特異的にノックアウトした。実験の結果、VGLUT1をノックアウトした後、CNO誘導によるグルタミン酸伝達物質の放出が「ホットスポット」領域で観察されなくなり、アストロサイトの伝達物質の放出がエキソサイトーシスによって媒介されていることが証明されました。

図6. 生体内実験の模式図。 2光子：2光子共焦点顕微鏡。ヘッドバー: マウスの頭を固定するために使用する棒。頭蓋窓：薬剤注入に使用される頭蓋窓。薬物：実験薬物。 |画像出典：参考文献[12]

上記の実験はin vitroで実施されました。アストロサイトの神経伝達物質放出プロセスが生体内で起こり得ることを確認するために、研究者らはマウスの頭蓋骨を開き、2光子共焦点顕微鏡を使用して、覚醒したマウスの一次視覚皮質におけるグルタミン酸の放出を観察しました。薬物刺激がない場合、研究者らは内因性アストロサイトのグルタミン酸放出シグナルを記録し、アストロサイトが自然条件下で細胞外空間のグルタミン酸濃度の変動を感知できることを示した。 CNO の刺激により、アストロサイトからのグルタミン酸放出頻度が大幅に増加しました。

さらに、研究者らは、VGLUT1依存性アストロサイト伝達物質の放出が急性てんかん発作に対する保護効果があることを証明するための機能実験を実施しました。 VGLUT2依存性アストロサイトシグナル伝達経路は黒質-線条体回路を制御する機能を持ち、パーキンソン病の潜在的な治療標的となる可能性がある。

ボルテラ研究チームは、単一細胞シーケンシング技術を用いてグルタミン酸を放出できるアストロサイトの分子特性を特定し、生体内および生体外実験を通じてアストロサイトの伝達物質放出のプロセスを直接観察し、機能実験を用いて神経疾患におけるアストロサイトの伝達物質放出の潜在的な保護的役割を実証しました。アストロサイトの電気伝導機能の分野では、ついに決定的な証拠が得られました。同時に、この研究結果は過去30年間にわたる矛盾した研究にも説明を与えるものとなっている。アストロサイトの特定のサブポピュレーションのみがグルタミン酸を放出できるため、これまでの研究から得られた結論は、アストロサイトのサンプリングと密接に関係しています。研究者が使用したアストロサイトがこの特定のサブポピュレーションのものでない場合、グルタミン酸の放出は観察できません。

図 7. ヴォルテッラの最近の写真。ボルテラが、体外で培養されたアストロサイトがニューロンからの電気信号に反応できることを初めて発見してから25年が経ちました。今回、彼は新たな重要な証拠を持ってきた。 |画像提供: アンドレア・ボルテラ

インタビューで、ボルテラ氏はこう語った。「グルタミン酸を放出するアストロサイトがあるという点では、私たちは正しかった。しかし、すべてのアストロサイトがグルタミン酸を放出すると考えていたのは間違いでもあった。」 [13] ロンドン大学ユニバーシティ・カレッジの神経科学教授ディミトリ・ルサコフは次のようにコメントしている。「これらの発見は、脳のシグナル伝達の仕組みに関する現在の理解をほぼ確実に覆すものだが、それがどのようにして覆るのかは未解決の問題である。」

04

良い研究はより多くの疑問を生み出す

アストロサイトがグルタミン酸伝達物質を放出できることを証明することは、ほんの第一歩に過ぎず、今後も答えを待つ疑問が数多く残っています。アストロサイトから放出されるグルタミン酸伝達物質は神経シナプスにどのような影響を与えますか?どの脳機能にアストロサイトの関与が必要ですか?なぜ脳の特定の領域だけにグルタミン酸作動性アストロサイトが豊富に含まれているのでしょうか?

もちろん、これらの質問に答えるには、アストロサイトをより適切にラベル付けする方法など、いくつかの技術的な問題も関係します。理想的なアストロサイトマーカー（分子）は、安定しており、このタイプの細胞を具体的に標識し、すべての細胞で同様のレベルで発現する必要があります。既存のマーカーにはそれぞれ欠点があります。たとえば、GFAP（細胞骨格の組み立てに関与するタンパク質）の発現レベルは細胞ごとに大きく異なり、病気や傷害の状態では発現レベルが劇的に変化します。 ALDH1L1（代謝酵素）の発現レベルは比較的安定していますが、非常に低いため、免疫蛍光/免疫組織化学による検出は困難です。このタンパク質は肝細胞でも高レベルで発現しています。完全な細胞特異的マーカーの欠如は、アストロサイトの研究にとって大きな障害となっています。

優れた科学研究は疑問に答えるだけでなく、無数の新たな疑問も生み出します。膨大な数のアストロサイトには無限の可能性が秘められており、多くの科学者がその研究に熱心に取り組んでいます。ルサコフ氏は「私たちは膨大な量の証拠を蓄積してきました。今必要なのは、それをすべてまとめる理論です」と述べている。

参考文献

[1] ヴィルヒョウ、R.（1856）。 Gesammelte Abhandlungen zur Wissenschaftlichen Medizin。マイディンガー・ゾーン＆カンパニー

[2] 呉江ら神経学、People’s Medical Publishing House、第3版、2015年6月

[3] ゴルジ、C.（1871）。神経解剖学への寄稿。ティピ・ファヴァ・エ・ガラニャーニ。

[4] ヘイゼル、P.（2021）。アストロサイト。カレントバイオロジー、31(7):R326-R327.

[5] ウー・Z.（2020）。ハンチントン病のマウスモデルにおける線条体アストロサイトの GABA 作動性ニューロンへの遺伝子治療による変換。ネイチャーコミュニケーションズ、27;11(1):1105。

[6] 王 LL. （2021年）。生体内での系統追跡によるアストロサイトからニューロンへの変換の再検討。セル、184(21):5465-5481.e16。

[7] コーネルベル、AH. （1990年）。グルタミン酸は培養されたアストロサイトでカルシウム波を誘発する：長距離グリアシグナル伝達。サイエンス、247(4941):470-3.

[8] パルプラ、V.（1994）。グルタミン酸を介したアストロサイト-ニューロンシグナル伝達。ネイチャー、369、744-747。

[9] パスティ、L.（1997）。アストロサイトにおける細胞内カルシウム振動: ニューロンとアストロサイト間の可塑性が非常に高く双方向のコミュニケーション形式。神経科学ジャーナル、17(20):7817-30.

[10] ペレア，G.（2009）。三者シナプス: アストロサイトはシナプス情報を処理および制御します。神経科学の動向、32(8):421-31。

[11] スローン、SA. （2014年）。見た目は騙される：グリア伝達の証拠を再考する。ニューロン、17;84(6):1112-5.

[12] デ・チェリア、R.（2023）。特殊なアストロサイトは中枢神経系におけるグルタミン酸作動性グリア伝達を媒介します。ネイチャー、622(7981)、120-129。

[13] https://www.quantamagazine.org/these-cells-spark-electricity-in-the-brain-theyre-not-neurons-20231018/

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制作：中国科学技術協会科学普及部

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