慶大、ヒトiPS細胞から高純度な心筋細胞の作製に成功 - 特殊な培養液を利用

慶應義塾大学(慶大)と日本医療研究開発機構(AMED)は4月1日、ヒトiPS細胞におけるグルタミン代謝の特徴を利用し、安全性を高めた心筋細胞の作製に成功したと発表した。

同成果は、慶應義塾大学 医学部 循環器内科学教室 遠山周吾助教、藤田淳特任講師、福田恵一教授、医化学教室 末松誠教授(研究当時、現:AMED理事長)らの研究グループによるもので、3月31日付けの米科学誌「Cell Metabolism」に掲載された。

ヒトES細胞やiPS細胞のような多能性幹細胞は、多種類の体細胞に分化出来る能力を有している反面、分化させた細胞集団のなかに未分化幹細胞が残存する性質があることがわかっている。こうした未分化幹細胞が生体内に移植されると、腫瘍を形成する危険性があるため、実用化にあたっては、目的とする細胞を純化精製すると同時に、未分化幹細胞を除去する方法の開発が望まれている。

同研究グループはこれまでに、未分化幹細胞においてグルコース代謝が活発であること、心筋細胞は乳酸をエネルギー源とすることを明らかにし、培養液に含まれているグルコースを除去し、乳酸を添加することで未分化幹細胞を除去する方法を報告している。しかし、グルコースを除去するだけでは、未分化幹細胞が完全に死滅するのに時間を要するという課題があった。

そこで今回、同研究グループは、未分化細胞においてグルコースと同時に消費が活発なグルタミン、アルギニン、セリン、グリシンの4つのアミノ酸に着目。これらのアミノ酸を除去した条件に加えて、グルコースも除去した培養液を用いてヒトES・iPS細胞を培養したところ、アミノ酸を除去しなかった場合と比較してヒトES・iPS細胞が劇的に死滅することがわかった。

また4つのアミノ酸のうち最も重要なものがグルタミンであることを見出した同研究グループは、次にヒトES・iPS細胞におけるグルタミン代謝の役割について、細胞に存在する全遺伝子を網羅的に解析する「トランスクリプトーム解析」および細胞や組織内に存在する全代謝産物を網羅的に解析する「メタボローム解析」を行った。この結果、ヒトES・iPS細胞はグルタミンを活発に取り込んでミトコンドリアにおける酸化的リン酸化によりエネルギーを得ていることが明らかになった。

さらに、同研究グループは「未分化幹細胞やその他の増殖細胞が生存不可能で、心筋細胞のみが生存可能な代謝環境」を作り出すために、通常は培養液に必要不可欠とされるグルコースおよびグルタミンを除去し、心筋細胞にとってエネルギー源となる乳酸を添加することにより、心筋細胞のみを選別できるのではないかと考え、「無グルコース無グルタミン乳酸添加培養液」を作製。実際に、ヒトES・iPS細胞由来のさまざまな細胞集団をこの培養液で培養すると、短期間で未分化幹細胞が完全に死滅し、心筋細胞のみが選別されることが確認された。

この結果についてメタボローム解析した結果、心筋細胞では乳酸を利用してエネルギーを得ているだけでなく、乳酸を利用してグルタミン酸を産生しており、さらに、選別されたヒトES細胞由来の心筋細胞には、腫瘍を形成する原因となる未分化幹細胞が残存しておらず、その残存率は0.001％未満であることが確認された。なお、純化精製後の心筋細胞はそのほとんどが心室筋細胞であったという。

同研究グループは今回の成果について、安全性の高い心筋細胞を比較的安価かつ簡便に入手するという大きな課題を解決し、心臓の再生医療の実現化を大きく加速するものであると説明しており、今後は医師主導の臨床研究、臨床治験の準備を実施する予定であるとしている。