ヒト幹細胞「宇宙造血」とは何が違うのか？

6月4日、有人宇宙船「神舟15号」の帰還カプセルが地球に帰還した。宇宙飛行士とともに、宇宙の微小重力環境で多能性幹細胞（iPS細胞）を初期造血細胞に分化させる世界初の研究から得られた細胞サンプルを含むいくつかの実験サンプルも持ち帰られた。このiPS細胞は軌道上で6～15日間培養され、ヒト幹細胞の初の「宇宙造血」が実現した。

天津免疫研究所副所長、天津医科大学総合病院神経科教授の劉強教授は、幹細胞は疾病治療や組織修復において大きな発展の見込みと臨床応用価値があると語った。しかし、現在の幹細胞の画期的な研究は、幹細胞の大量生産規模をどのように拡大するか、幹細胞の分化幹細胞性をどのように維持するか、幹細胞の分化をどのように標的化するかなど、依然として大きな課題に直面しています。この宇宙での幹細胞実験は、ヒト幹細胞研究における大胆な探求でもある。

造血幹細胞が「選ばれた細胞」である理由

ips細胞の正式名称は「人工多能性幹細胞」であり、体細胞から誘導された幹細胞です。 「IPS細胞は培養により無限の増殖能を持ち、肝臓、生殖細胞、再生が難しい心筋細胞や神経細胞など人体のほぼすべての細胞に分化できる。造血幹細胞も含まれる」と天津大学薬学院の研究員、劉子川氏は述べた。

宇宙ステーションの「宇宙造血」プロジェクトの責任者で、中国科学院深圳先端技術研究所バイオ医科学技術研究所の研究員である雷小華氏によると、実験を通じて、ips細胞は軌道上で小石のような造血幹細胞に分化しているという。

「分化できたのは小さな造血幹細胞だけだが、このプロセスを通じて、微小重力環境におけるiPS細胞の初期分化に影響を与えるメカニズムを探ることができ、非常に価値がある」と劉子川氏は語った。

ips は骨髄間葉系幹細胞、神経幹細胞、肝臓幹細胞など、さまざまな幹細胞に分化することができます。では、なぜこの実験に造血幹細胞が選ばれたのでしょうか?

劉子川氏は、現在の幹細胞の応用における最大の障害は、in vitro環境における分化効率と細胞増殖であると紹介した。従来、体外で細胞を培養する方法は主に 2 つあります。 1つは付着成長です。ほとんどの幹細胞は、マトリックス上で成長するために付着点を必要とします。もう一つは成長停止です。赤血球、T 細胞、顆粒球などの従来の血液細胞はすべて懸濁液中で増殖します。

「造血幹細胞は重要なノードです。その上流は接着成長を通じて ips 細胞から分化することができ、下流に分化し続け、さまざまな浮遊血球を生み出すことができます。」劉子川氏は、現在の幹細胞の分化効率は非常に低く、造血幹細胞を体外で無制限に増殖させることは難しいと述べた。この技術的なボトルネックを打破しなければ、人工造血を真に実現することは不可能です。

幹細胞宇宙実験は主に重力から逃れるためのものである

科学研究チームは2017年にすでに、宇宙貨物船「天舟1号」上でマウス胚性幹細胞の増殖と分化に関する研究を行っており、宇宙で培養された幹細胞は地上よりも優れた成長パターンを示し、多能性遺伝子発現のレベルも高いことが示されていた。

劉子川氏は、宇宙環境の最大の特徴は微小重力であり、主な要因は重力の変化であると考えている。微小重力環境下では、幹細胞や培養支持マトリックスは、重力特性、形態構造などにおいて地上のものと明らかに異なります。

「これまでにもマトリックスゲルの効果を比較した人がおり、より柔らかいマトリックスゲルを使用すると造血幹細胞の増殖がより良くなることが分かっています。微小重力環境では、幹細胞は重力に頼ってマトリックスゲルに付着する必要はありません。マトリックスゲルの硬さと柔らかさの要素が弱まり、増殖の負担が軽減されます。同時に、重力の影響を受けないため、下流の懸濁細胞の分化効率も向上する可能性があります」と劉子川氏は紹介した。

「実験結果は予想以上に複雑かもしれないが、これまで誰もこの研究を行ったことはない。微小重力環境が造血幹細胞の分化と増殖に良い影響を与えるか悪い影響を与えるかはともかく、これは革新的なことであり、この実験は非常に意義深い」と劉子川氏はコメントした。

また、「宇宙造血」実験は、幹細胞の分化と増殖のメカニズムに関する本来の研究をさらに発展させたものであり、非常に優れた研究モデルです。 「この実験を通じて、造血過程のゲノム科学、細胞間の相互作用を含む重要な細胞シグナル伝達経路の役割について、さらに詳細な研究を行うこともできます。最も基本的な細胞生物学の問題のいくつかを明らかにし、幹細胞研究に新しいアイデアを提供することができます。」劉子川氏は例を挙げて、微小重力が幹細胞の増殖に有効であることがわかれば、地上でこの環境をシミュレートすることを検討できると述べた。あるいは、微小重力環境において幹細胞の分化や増殖を制御できる特殊な細胞経路が存在することが判明すれば、その機能を人工的に増減させることができ、幹細胞医薬品の開発に役立つでしょう。

劉強氏は、地球の重力の影響により、幹細胞は培養の過程で凝集して固まりやすいと考えている。宇宙の微小重力環境により、幹細胞の体外培養は胚における幹細胞の分化と増殖に近くなり、均一に浮遊して自由に成長することができます。さらに、重力の影響を受けないため、幹細胞の成長環境は比較的安定しており、産業発展の実現に役立ちます。

「さらに、地球上で培養された細胞と比較して、宇宙の微小重力環境で培養された細胞は機能が大幅に向上し、免疫抑制能力が強化されている」と劉強氏は述べた。

時間とリソースの制約により、Lei Xiaohua 氏のチームはこのミッションでいくつかの実験のみを実施しました。今後は宇宙の微小重力環境下でヒト人工多能性幹細胞の3D増殖研究も行う予定。長期にわたる軌道上培養、軌道上実験と地上での並行制御実験の比較・分析を通じて、宇宙環境における幹細胞の3D成長の法則や微小重力が幹細胞の成長に与える影響のメカニズムを探ります。