13年を経て、ミニハートはついにコートを手に入れた

制作：中国科学普及協会

著者：李玉環（吉林大学）

プロデューサー: 中国科学博覧会

朝のラッシュアワーに間に合うように地下鉄で急いでいるとき、オフィスで夜更かしして残業しているとき、これらの重荷を黙って背負っているのは誰でしょうか?私たちに毎瞬間、生命の源を供給し続けるのは、生命の原動力である心臓です。しかし、心臓は鉄の機械ではないので、私たちのケアも必要です。

心臓病は人間の生命と健康を脅かす第一の死因であり、心臓の健康は生命科学の分野における永遠の命題でもあります。科学者たちが 13 年かけてようやく「ミニ心臓」にコーティングを施した経緯について学びましょう。

小さな臓器でも大きな効果を発揮する

人間の体はとても繊細で複雑です。人間の臓器の発達や生理学的・病理学的状態をより深く研究するために、科学者たちは培養皿の中に「オルガノイド」を作り出した。これは、対応する臓器と同様の空間構成を持ち、対応する臓器の機能の一部を再現できる 3 次元細胞培養であり、生理学的に非常に関連性の高いシステムを提供します。

図2 オルガノイドはヒトの臓器の発達や生理学、病理学を研究するための強力なツールである

（画像提供：シンガポールゲノム研究所）

人間の心臓の微小環境は複雑であるため、動物実験の結果の多くは人間に完全には適用できません。 「ミニ心臓」としても知られる心臓オルガノイドは、心臓の発達を理解し、先天性心疾患の治療を研究する上で非常に重要です。

心臓オルガノイドの歴史

ドイツのミュンヘン大学のアレサンドラ・モレッティ教授のチームは、心筋細胞と心臓壁（心外膜）の細胞の外層を含むオルガノイドの作成に世界で初めて成功した研究者です。モレッティ教授は2010年に早くも幹細胞を使ってヒトの心筋組織を作成する方法を説明しました。 2015年、彼は幹細胞を使って自己組織化された心外膜を生成する方法について新たな発見をしました。 2018年に、彼は単一細胞トランスクリプトーム技術を使用して心臓組織の幹細胞生成の分子メカニズムを研究しました。 2021年、彼は遺伝子編集技術を使って心臓病を引き起こす遺伝子変異を修正しました。

心臓オルガノイド分野における未解決の問題は、多能性幹細胞由来の心臓オルガノイドが、心臓の発達と修復に重要な機能を果たす真の心外膜を自発的に形成できないことである。 2023年4月3日にネイチャー・バイオテクノロジー誌に掲載された論文で、モレッティ教授のチームはこの問題を解決し、心臓発達研究における新たな重要なマイルストーンを打ち立てました。

図3 アレッサンドラ・モレッティの研究グループは、ネイチャー・バイオテクノロジー誌に「心外膜オルガノイド」を示す論文を発表した。

（画像出典：ネイチャー誌公式サイト）

それで、このミニハートコートはどのようにして生まれ、機能するのでしょうか?これについては、次の点からお客様と話し合う必要があります。

1. 心外膜オルガノイドはどのように生成されるのでしょうか?

より本物に近い心臓オルガノイドを作るため、モレッティ教授の研究チームは、ヒト多能性幹細胞を使って球体を作る際に使用する配合に、心外膜の発達を促すレチノイン酸を加え、その球体をゲルに包埋して3D培養した。最終的に、レチノイン酸処理した球体は心筋細胞の核を形成するだけでなく、厚いカプセル化層も形成することがわかりました（図4）。研究者たちは、この包み層に心外膜マーカーを発現する細胞が多数含まれていることを発見し、うれしい驚きを覚えた。これこそが、誰もが13年間探し求めてきた心臓オルガノイドの「外皮」なのです！

図4 ヒト多能性幹細胞を用いた心外膜オルガノイド生成プロセスの模式図

（画像出典：参考文献[1]より改変）

研究者らは、さらに最適化された培養を経て、ついに機能的な心室心筋と心外膜の自己組織化を示す心臓オルガノイドを取得し、「心外膜様細胞」と名付けた。

2. 心外膜オルガノイドは人間の心臓とどの程度類似していますか?

研究者らは心外膜オルガノイドを入手した後、単一細胞配列解析によってその細胞成分を分析し、中皮心外膜細胞、心外膜由来間葉系細胞、増殖細胞など、ヒト胎児心外膜と同じ細胞型を持っていることを発見した。さらに、この小さなオルガノイドは人間の心室パターンを完全に再現します。つまり、密な外側心筋の活動電位再分極時間は内側心筋よりも大幅に短くなります (図 5)。

図5 心外膜オルガノイドの外側心筋（OM）と内側心筋（IM）

（画像出典：参考文献[1]）

心外膜オルガノイドは人間の心臓の構造、機能、細胞の複雑さを非常によくシミュレートしていることがわかります。

3. 異なる心臓細胞はどのように相互作用するのでしょうか?

単一細胞配列データのさらなる分析により、心外膜細胞と他の細胞タイプとの間の相互作用が多数明らかになりました。研究者らは、心外膜細胞のインスリン様成長因子2（IGF2）と心筋細胞のインスリン様成長因子1受容体（IGF1R）間のリガンド受容体相互作用に注目した。これはげっ歯類における心筋凝集の主な原因であるが、ヒトのシステムでは研究されていなかったためである。

結果は、IGF1R阻害剤による治療により、心外膜オルガノイドにおける心筋細胞の分裂が著しく減少したことを示しました（図6）。心外膜のない心臓オルガノイドをIGF2で処理すると、心筋細胞密度はIGF2濃度の増加とともに増加し、心外膜がなくてもIGF2が心筋の圧縮を誘導するのに十分であることを示した。

図6 心外膜細胞のIGF2と心筋細胞のIGF1Rの相互作用が心筋の圧縮を促進する。

（画像出典：参考文献[1]より改変）

4. 心外膜細胞の「祖先」は誰ですか?

このような重要な心外膜細胞はどこから来るのでしょうか?これまで、心外膜前駆細胞の発生は不明であり、ヒトの心外膜前駆細胞についてはさらに不明な点が多い。

この研究で、モレッティ教授は単一細胞配列解析と計算生物学の手法を組み合わせて、タイムライン上の細胞の軌跡を追跡し、最終的に「pre-JCF」の前駆細胞が心外膜細胞の主な供給源であることを発見しました。さらに、「pre-JCF」前駆細胞はヒトでは「両能性」があり、心筋細胞と心外膜細胞の両方を生成することができます（図7）。

図7 系統追跡により、「前JCF」前駆細胞が心外膜細胞と心筋細胞に分化することが示されている

（画像出典：参考文献[1]）

5. 心外膜オルガノイドは何ができるのでしょうか?

オルガノイドの主な機能の 1 つは、病気をシミュレートすることです。研究者たちは、心外膜オルガノイドを入手した後、心不全の進行における線維症の重要な役割など、2次元のin vitroモデルでは解決できない問題を解決するためにこのモデルを使用することを熱望しています。研究者らはまず、心外膜オルガノイドを血管収縮剤で処理し、心筋細胞肥大を誘発した。また、頻繁な不整脈とカルシウムトランジェントの振幅減少という、心不全のよく知られた特徴を発現させた。 （図8）。

図 8 血管収縮薬 ET150 による心外膜オルガノイドの処理により、不整脈の頻度が増加し、カルシウム過渡振幅が減少しました。

（画像出典：参考文献[1]より改変）

さらに研究者らは、心外膜オルガノイドが先天性心筋線維症を模倣する能力をテストした。研究者らは、ヌーナン症候群（出生時に重度の左室肥大と心筋線維症を呈する）の患者から採取した人工多能性幹細胞を使用して患者固有の心外膜オルガノイドを生成し、培養により心外膜の細胞環境が発達障害に関連する線維性変化を許容することを発見した。

これらの発見に基づいて、心外膜オルガノイドは心筋線維症に対する薬剤の効果を判断するための前臨床試験に使用でき、これにより被験者への直接的な曝露によって引き起こされる危害のリスクを回避できます。

結論

ある意味、オルガノイドは科学者が生命の謎を解明するための強力な研究ツールであると言えます。心臓研究の分野では、心外膜オルガノイドは、発生生物学、心臓血管医学、創薬における基本的な疑問に取り組むための独自のプラットフォームを提供します。アウターウェアにあしらわれたこのミニハートが、さらなる発見をもたらすことが予想されます。でもその前に、心臓を守るためにしっかり運動しましょう！

参考文献:

Meier AB 他「心外膜単細胞ゲノミクスにより、心臓の発達と疾患におけるヒト心外膜生物学の原理が明らかになる」ナショナルバイオテクノロジー。 2023年4月3日。