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細胞工学は、細胞生産の変更、細胞の成長と増殖の要件の変更、細胞機能の追加または削除など、生物工学の目的を達成するために、生きた細胞の遺伝子配列を追加、削除、または変更する意図的なプロセスです。細胞工学では、これらの変更を実現するために、密接に関連する組織工学の方法と同様に、組み換えDNA技術がよく使用されます。 [1]細胞工学は、臓器工学、組織工学、タンパク質工学、遺伝子工学など、ますます専門化している生物工学の分野の中間レベルとして特徴付けることができます。[2]
細胞工学の分野は、生物医学研究が組織工学において進歩し、より専門的になるにつれて、ますます注目を集めています。この分野の出版物は、2000年代初頭の数千件から、2020年には約4万件にまで増加しています。[3]
概要
天然細胞製品の生産の改善
細胞工学の一般的な形態の 1 つは、より望ましい収量やより短い生産時間を達成するために、天然細胞の生産を変更することです。 [4]天然細胞の生産を変更する方法としては、製品の代謝に関与する遺伝子を増強または抑制することが挙げられます。たとえば、研究者はハムスター卵巣細胞でトランスポーター遺伝子を過剰発現させて、モノクローナル抗体の収量を増やすことができました。[5]別のアプローチでは、生物学的に外来の遺伝子を既存の細胞株に組み込むことができます。たとえば、エタノールを合成する大腸菌は、ザイモモナス モビリスの遺伝子を使用して改変し、エタノール発酵を主要な細胞発酵製品にすることができます。 [6]
細胞要件の変更
もう一つの有益な細胞改変は、細胞の基質と成長要件の調整です。細胞のニーズを変更することで、細胞培養の成長と維持に必要な原材料費、設備費、スキルを大幅に削減できます。たとえば、科学者は外来酵素を使用して、従来のグルコースよりも安価な基質で細胞を成長させることができる一般的な産業用酵母株を設計しました。[7]生物工学はスケールアップコストの改善に重点を置いているため、この分野の研究は主に、さまざまな酵素が低コストの基質を代謝する能力に焦点を当てています。[8]
細胞を増強して新しい製品を生産する
バイオテクノロジーの分野と密接に結びついているこの細胞工学の主題は、組換え DNA法を用いて細胞を誘導し、タンパク質、抗体、酵素などの目的の産物を作らせるものである。この細胞工学のサブセットの最も注目すべき例の 1 つは、大腸菌を形質転換してインスリンの前駆体を転写および翻訳し、生産コストを大幅に削減したことだ。[9]同様の研究はその後まもなく 1979 年に実施され、大腸菌を形質転換してヒト成長ホルモンを発現させ、下垂体性小人症の治療に使用した。[10]最後に、ワクチンを作成する目的で抗原を生成する細胞工学において大きな進歩が遂げられている。[11]
セルプロパティの調整
バイオエンジニアリングの焦点では、成長密度、成長速度、成長収量、耐熱性、耐凍結性、化学物質に対する感受性、病原体に対する脆弱性など、細胞の固有の特性を変えるためにさまざまな細胞改変方法が利用されています。[4]たとえば、1988年にイリノイ工科大学の研究者グループは、大腸菌でVitreoscillaヘモグロビン遺伝子を発現させ、高密度の工業用バイオリアクターに見られるような低酸素条件に対してより耐性のある菌株を作成することに成功しました。[12]
幹細胞工学
細胞工学の1つの明確な分野は、幹細胞の改変と調整です。幹細胞療法と治療法に関する最近の研究の多くは、前述の細胞工学手法に該当します。幹細胞は、さまざまな種類の細胞に分化できるという点で独特であり、その後、改変して新しい治療薬を生み出したり、さらなる細胞工学の取り組みの基盤を提供したりできます。[13]指向性幹細胞工学の1つの例としては、幹細胞を部分的に筋細胞に分化させて、サルコペニアまたは筋廃用性萎縮の治療のための筋原性因子の産生を可能にすることが挙げられます。[14]
歴史
「セルエンジニアリング」という語句は、1968年に発表された論文で、燃料電池の改良プロセスを説明するために初めて使用されました。[15]この用語はその後、他の論文でも採用され、より具体的な「燃料電池エンジニアリング」が使用されるようになりました。
この用語が生物学の文脈で初めて使用されたのは、1971年に藻類細胞間の生殖キャップを移植する方法を説明した論文でした。[16]このフレーズの人気が高まっているにもかかわらず、細胞工学と他の形態の生物工学との境界は依然として不明確です。[4]
例
- 治療用T細胞工学：[17]治療のために癌関連抗原を標的とするT細胞を改変する
- モノクローナル抗体の生産：[18]遺伝子組み換え細胞を用いたモノクローナル抗体の生産の改善
- 生体内 細胞工場：[19]患者の体内で治療薬を生産するための細胞工学
- 誘導性幹細胞分化：[20]外部因子を用いて幹細胞分化を誘導する
- 抗体薬物複合体：[21]抗体と細胞傷害性薬物の結合を工学的に構築し、疾患治療に役立てる
参考文献
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外部リンク
- ジョンズホプキンス大学医学部細胞工学研究所
- カリフォルニア大学バークレー校バイオエンジニアリング学部細胞・組織工学