阪大、体外培養のマウス子宮で着床・発生に成功　不妊治療研究で前進

大阪大学(阪大)は、体外培養したマウス子宮で、生体内と同程度の忠実な着床と胚の発生を再現することに成功したと7月7日に発表した。

体外子宮における着床と胚発生。(上)壁側栄養外胚葉の接着と、それに続く胚発育。(下)着床を維持したまま、エピブラスト様構造と胚体外外胚葉様構造が形成された様子
(出所:阪大Webサイト)

同成果は、阪大微生物病研究所の平岡毅大特任助教(研究当時)、同・伊川正人教授らの研究チームによるもの。詳細は、英オンライン科学誌「Nature Communications」に掲載された。

現在、日本では約10人に1人が生殖補助医療(ART)で出生している。しかし、体外受精や顕微授精により受精の成功率は80%以上に達している一方で、着床は40〜50%の成功率にとどまる。着床率は、年齢や胚の質によりさらに低下するため、ART成功の鍵は着床が握るといっても過言ではない。だが、着床率を劇的に改善する方法や、良好胚を繰り返し移植しても着床が成立しない「反復着床不全」の治療法は未確立である。

着床率の向上や、反復着床不全の治療法確立には、着床の詳細なメカニズムの理解が不可欠だ。しかし、マウスなどの実験動物でも着床は子宮深部で起こるため、直接の観察や介入は容易ではなく、研究は困難を極める。そのため、仮に着床を体外で忠実に再現できるようになれば、研究が飛躍的に進展するとされる。だが、精子と卵子という単細胞同士の相互作用で成立する受精と異なり、多細胞の胚盤胞と子宮との相互作用で成り立つ着床は複雑な高次生命現象であり、体外での完全再現は困難だった。

研究チームは今回、まず精巣組織の体外長期培養に成功した過去の報告に着目。今回の研究では、酸素供給を効果的に行うことで組織をそのまま体外で培養するのに長けている気相液相界面培養法を適用。子宮内で着床を担う子宮内膜を分離し、体外培養を行うことにしたと。

今回の研究では、酸素透過性を持ち、柔らかくて透明なシリコン素材「ポリジメチルシロキサン」(PDMS)を活用。これにより酸素供給を行いつつ、胚を子宮内膜に固定する手法が採用された。PDMSの設計や酸素供給の方向、培養液の組成など、さまざまな条件を最適化した結果、着床側からの酸素供給で胚は体外子宮に着床。その後、着床を維持したまた発生・拡大する様子が観察された。

体外子宮システム。胚盤胞と単離した子宮内膜片を共培養し、PDMSを用いた固定と酸素供給により、体外での着床が実現された
(出所:阪大Webサイト)

この体外子宮システムでは、約95%という高い再現性で着床が誘導された。さらに、胚盤胞の構成成分である「壁側栄養膜細胞」の接着や「栄養芽細胞」の浸潤、「栄養芽巨細胞」への分化など、生体内での着床過程が忠実に再現されていることが確認された。

着床後の胚は、胎児成分「エピブラスト」や将来的に胎盤となる「胚体外外胚葉」の形成、そして「臓側内胚葉」や「壁側内胚葉」、「卵黄嚢腔」の出現など、発生の徴候も示された。加えてこのシステムは、子宮の分泌腺や免疫細胞、血管といった子宮内環境を保存したまま、培養が達成された。

さらにこの体外子宮は、着床因子「COX-2」の誘導も忠実に再現。過去の研究から、COX-2欠損マウスの子宮では、胚の接着や浸潤などの着床過程が阻害されることがわかっていた。だが、子宮COX-2が着床を制御する詳しい機序は、未解明な点が多かった。そこで研究チームは今回、その点に注目し、体外子宮でCOX-2の詳細な機能の解析が可能かどうかを検証することにした。

体外子宮における胚発生。体外子宮上で、着床を維持した状態での胚発生が認められた
(出所:阪大Webサイト)

子宮環境の保持。体外培養子宮は、立体構造を含む子宮内環境を高度に保持していた
(出所:阪大Webサイト)

COX-2の局在。体外子宮において、着床機能分子COX-2の誘導が再現された
(出所:阪大Webサイト)

まず、COX-2の機能阻害による、体内同様の着床不全の誘導の可否が検討された。COX-2阻害剤「セレコキシブ」により、生体と同様に着床不全が再現され、さらに着床過程の中でも、子宮への浸潤が阻害されることが解明された。

その原因究明のため、体外で着床した胚を採集し、網羅的な遺伝子発現解析が行われた。その結果、子宮COX-2はその下流シグナルを介して胚の栄養膜細胞分子「AKT」を活性化することが判明。AKTは胎盤形成関連遺伝子であり、その欠損マウスは胎盤低形成や胎盤形成不全により致死に至るとした。

次に、セレコキシブによる着床不全が、胚のAKT活性化で改善可能かどうかの検証が行われた。胚盤胞の内部細胞塊に侵入せず、病原性や遺伝子への組み込みリスクもない「アデノ随伴ウイルス」を使い、胚の栄養膜細胞へ活性型AKTが導入された。その結果、着床不全子宮への胚浸潤が回復し、着床が救済されたとする。さらに、マウス個体での同様の検証でも同等の結果が得られ、体外子宮システムによる検証は、生体を用いる研究と同等の信頼性を持つことが示されたとした。

今回の体外子宮システムは、謎の多い着床調節機構を解明し、着床研究の飛躍的な進展が期待されるという。将来的には、ARTにおける反復着床不全の病態解明や着床診断技術の開発、さらには胚の着床機能を活性化し着床率の向上や反復着床不全の治療を図る「着床補助技術」の開発につながることも期待されるとのこと。