京大、iPS細胞/ES細胞を用いた赤血球の大量生産技術を開発

京都大学(京大)は12月6日、iPS細胞やES細胞に「c-MYC」および「BCL-XL」という2種類の遺伝子を導入することで、試験管内でほぼ無限に増殖することの可能な赤血球前駆細胞を作製することに成功したほか、それを成熟した赤血球へと分化させることにも成功したと発表した。

同成果は、京都大学iPS細胞研究所(CiRA)の江藤浩之 教授、オンタリオ癌研究所の高山直也 研究員(元CiRA助教)らによるもの。詳細は2013年12月5日(米国時間)に米国科学誌「Stem Cell Reports」オンライン版に掲載された。

体中に酸素を運ぶ働きをもつ赤血球は、核をもたないため、自己増殖することができないことから、大量の血液が必要になった場合、他人から血液を分けてもらう輸血に頼るしかない。しかし、献血ドナー数は減少傾向にあるほか、血液の保存期間も限られていることから、常に安定した輸血システムの構築が求められていた。

これまでの研究から、iPS細胞やES細胞などを用いて、生体外で赤血球を大量に作製する技術も開発されていたが、輸血に用いるだけの量を作製できたという報告はなかった。

赤血球は生体内で造血幹細胞から造血前駆細胞、赤芽球を経て産生されるが、この造血前駆細胞からの分化過程で細胞核内の染色体が凝集し、核を失う(脱核)ことで、成熟した赤血球となる。研究グループでは、これまでの研究から、ほぼ無限に増殖する血小板を生み出す細胞「巨核球」の作製を達成しており、赤血球でも自己増殖能を持つ造血前駆細胞にて、自己増殖に関連する因子を発見できれば、同様に前駆細胞をほぼ無限増殖させることが可能になるのではないかと考え、研究を行ったという。

具体的には、最初にES細胞に対して、c-MYCとBCL-XLの2種類の遺伝子を導入し、遺伝子発現の誘導開始後12日～24日に半固形培地上で安定的に増殖する細胞株を選択。「不死化赤血球前駆細胞(immortalized Erythroblast Progenitor cell:imERYPC)」と名付けられたこの安定した赤血球産生細胞株は、6カ月以上にわたり増殖し続けること、ならびに99%以上の細胞で赤芽球の細胞表面マーカーが確認されたとするほか、iPS細胞でも、同様の結果を得ることに成功したという。

一方、imERYPCに導入した2種類の外来性遺伝子の発現誘導を人為的に止めたところ、7日で未成熟な赤芽球から成熟した赤芽球(染色体が凝集している)へと変化することが確認されたほか、赤く色づいたことから、酸素運搬に重要なヘム合成が起きていることも判明したという。

また、2種類の外来性遺伝子の発現誘導を止めた場合、c-MYC遺伝子発現は1/10に低下したが、BCL-XL遺伝子発現は20倍に増えることも確認。同時にヘム合成に重要な内在性のGATA1遺伝子やRAF1遺伝子の発現も増えていることも確認されたことから、研究グループでは、内在するBCL-XL遺伝子の影響と見られるとしており、これらの結果は、不死化した赤血球前駆細胞から成熟した赤血球への分化過程の遺伝子発現が、生体内と同様であることを示すものだと説明している。

さらに、生体内での赤血球の働きを調べるための系の確立を目的に、放射線照射により貧血状態にしたマウスに対して、薬剤投与によりマクロファージを除去するなどの工夫を加え、24時間後に不死化した赤血球前駆細胞を腹腔内に注入。数日後の不死化赤血球前駆細胞の量の調査では、わずかながらマウスの血液内を循環していること、ならびにそのほとんどが脱核した赤血球となっていることが確認されたという。

加えて、循環している不死化赤血球前駆細胞の割合が低いことの原因が、すみやかに分解されるためではなく、移植前に脱核している細胞の量が少ないためであることも判明したとする。

研究グループでは今回の成果を受けて、過去に開発されてきたがんウイルス由来の人体に通常発現してない遺伝子を用いた赤血球の大量生産に比べ、今回の手法は生体内の仕組みを模倣した手法であり、臨床応用を念頭に入れた場合にはより安全な手法であると言えるとし、試算では、通常の輸血1パックに必要な赤血球(1兆個)を作製するのに必要な培養液は、未分化なiPS細胞から直接分化する方法では、1000～2000リットルだが、同手法では、50～100リットルで足り、また、細胞を凍結保存した後に解凍した場合でも同様の結果を得ることも可能なため、今後の研究にて、より効率的な脱核方法や成人型のヘモグロビンのみをもつ赤血球を誘導する方法が確立できれば、赤血球輸血の安定供給に役立つことが期待されるとコメントしている。