アルツハイマー病の実験モデル

アルツハイマー病の実験モデルは、アルツハイマー病に関する生物学的疑問を調査し、新しい治療法を開発およびテストするための研究で使用される生物または細胞モデルです。アルツハイマー病は、加齢に伴う進行性の神経変性疾患で、散発的に発生する場合（最も一般的な診断形式）と、アルツハイマー病の病理に関連する遺伝子の家族性変異が原因で発生する場合があります。^{[1] [2]}アルツハイマー病に関連する一般的な症状には、記憶喪失、混乱、気分の変化などがあります。^[3]

アルツハイマー病は世界中で約5500万人の患者を悩ませており、認知症全体の約60～70%を占めています。このため、この病気の生物学的メカニズムをより深く理解し、効果的な治療法を開発するための研究に、毎年数十億ドルが費やされています。^{[2] [4]}研究者は、アルツハイマー病に関連する実験を行うために、死後の人間の組織や実験モデルを使用するのが一般的です。^[5]アルツハイマー病の実験モデルは、生物学的システムを複雑に操作して、人間に危害を加えるリスクなしにアルツハイマー病に関する疑問を解明できるため、特に有用です。これらのモデルには、ヒトのアルツハイマー病とそれに関連する病理である細胞外アミロイドベータ（Aβ）プラークと細胞内神経原線維変化（NFT）をよりよく反映できるように遺伝子改変が施されていることがよくあります。 ^[6]現在研究者が使用している方法は、従来の2D細胞培養、3D細胞培養、微小生理学的システム、動物モデルなどです。

従来の2次元細胞培養は、アルツハイマー病の実験をハイスループットで行うのに有用な実験モデルです。これらの培養は皿やフラスコ上で単層で行われ、単一の細胞タイプまたは複数の細胞タイプで構成できます。^[7] 2D培養では、アミロイドβペプチドを分泌できたとしても、不溶性のアミロイドβプラークを生成するのが困難な場合がよくあります。^{[8] [9]}アルツハイマー病のモデル化に使用される一般的な2D細胞培養の種類は、不死化細胞株、一次ニューロン培養、および患者由来の人工多能性幹細胞（iPSC）です。

不死化細胞株は、生体外で増殖できるように遺伝子操作された生物由来の細胞であり、増殖が速いためハイスループット実験が可能となり、研究者にとって便利なツールとなっている。これらの突然変異は、がん細胞に見られるような自然に引き起こされる突然変異、または研究者によって導入されることで発生する可能性がある。アルツハイマー病の研究に使用される一般的な不死化細胞株には、ヒト胎児腎臓293（HEK293）、ヒト神経芽細胞腫（SH-SY5Y）、ヒト神経膠腫（H4）、ヒト胎児中脳（LUHMES）、ヒト神経前駆細胞（ReN）、および褐色細胞腫（PC12）細胞が含まれる。^[10]これらのタイプの細胞は市販されており、比較的安価で、培養および維持が容易である。^{[10] [11]}これらのモデルでは、アルツハイマー病に関連する細胞死を誘発するために、死を促進する化合物を使用することができる。これらの化合物には、アミロイドβ42、タウタンパク質、グルタミン酸^[12]、酸化/炎症誘発性化合物^{[13]が含まれます。}

一次ニューロン培養は、胎児または出生後のげっ歯類の脳組織から生成され、プレート上で培養されます。^[14]アルツハイマー病の研究のための培養に使用される一般的な脳領域には、海馬、皮質、扁桃体がありますが、どの脳領域でも培養に適しています。^[7]この方法では、げっ歯類組織から目的の脳領域を解剖し、その後、消化、解離、プレーティングの手順を実行する必要があります。^[14]これらの培養はげっ歯類の脳組織から直接得られるため、形態学的および生理学的にヒトの脳細胞に似ており、複数のニューロン細胞タイプを含み、増殖しません。^{[10]最初に培養されたとき、これらの細胞は球形で、時間が経つにつれて}軸索、樹状突起を形成し始め、最終的にシナプス接続を発達させます。^[14]

患者由来人工多能性幹細胞（iPSC）株は、分化した体細胞をアルツハイマー病患者から採取し、異所性転写「タマナカ」因子カクテルを介して多能性幹細胞に戻すという点で独特である。^[11]これらの幹細胞は、ニューロン、アストロサイト、ミクログリア、オリゴデンドロサイト、周皮細胞、内皮細胞など、多くの細胞タイプに分化するように誘導することができる。^{[5] [11]これにより、} APP、PSEN1、またはPSEN2遺伝子に変異がある早期発症の家族性アルツハイマー病（FAD）患者と、動物モデルでは完全には再現されない晩発性/散発性アルツハイマー病（SAD）患者の両方からこれらのモデルを生成することができる。 SADは最も一般的に診断されるADの形態であるため、iPSCはこの形態の疾患を理解するための重要なツールとして注目されています。^[5]これらの細胞は市販品を購入することもできます。^{[15] [16]} CRISPR-Cas9技術をiPSC細胞と一緒に使用して、複数のFAD変異を持つニューロンを生成することができます。^{[5] [10]}これらのモデルの大きな欠点の1つは、成熟したニューロンに十分に似ていない可能性があることと、より高価で維持が難しいことです。^[11] iPSCは、何度も継代（採取して娘培養物に再播種）するとゲノム不安定性を示し、追加の変異を発症することも示されており、患者の使用に対する安全性の懸念と実験研究における再現性の問題の両方を引き起こします。^[5]再プログラミング手順の性質上、iPSC細胞は加齢や環境要因によって獲得した細胞およびエピジェネティックな特徴を失い、アルツハイマー病などの加齢に関連する疾患を再現するiPSCの能力が制限されます。これらの培養にはいくつかの限界があるものの、このモデルシステムを使用してアルツハイマー病の生物学に関する多くの基本的な発見が解明されました。^[要出典]

3次元オルガノイド培養法は、人間の皮質に似た組織化された構造を作り出すため、従来の2D培養よりも「脳のような」環境でAD病理を再現する一般的な方法となっている。^{[10] [24]}この方法は、2D培養では不溶性アミロイドβの生成に失敗する傾向があるのに対し、3D培養モデルでは可能であるため、特にアルツハイマー病のモデル化に有効であることが証明されている。^[8]これらのモデルは、人工マトリックス内で共培養された複数の神経細胞タイプで構成されており、非神経細胞と神経炎症がアルツハイマー病の発症にどのように影響するかを理解することができる。^{[11]これらのモデルで表現される神経細胞タイプには、}ニューロン、アストロサイト、ミクログリア、オリゴデンドロサイト、上皮細胞、内皮細胞が含まれることが多い。 ^{[9] [11]}これらのオルガノイドは、アルツハイマー病の病理を示すために何ヶ月もかけて発達し、長期間維持することができます。^{[5] [9]}これらはiPSCまたは不死化未分化細胞の両方から派生することができ、通常は直径が数ミリメートルに達します。^{[9] [24]} 3D培養は、自己組織化させることも、外因性因子がオルガノイドの分化パターンに影響を与える誘導形成下に置くこともできます。^[9] 3D培養法では、同じ細胞株の2D培養法よりもアミロイドβ凝集、リン酸化タウ蓄積、エンドソーム異常がより顕著であり、病理が加速していることが示されています。^{[5] [24]}

3D培養の使用から生じる一般的な問題は、オルガノイド内の血管系の欠如であり、内層で細胞死と機能不全につながります。^{[5] [9]}現在^{[いつ？ ]}の取り組みでは、血管系を作成して深層に栄養分布を提供するために、内皮細胞を誘導形成培養に導入することに重点が置かれています。^{[5] [9]}自己組織化オルガノイドは、発現した細胞の割合と場所の点でも変化し、実験の再現性に課題を引き起こします。^[9]この問題に対処するために、誘導形成オルガノイドに多くの努力が払われてきましたが、この方法はより時間がかかり、最適化が困難です。^[9]多くのオルガノイド法は、再プログラミングプロトコルにより出生前の脳細胞により類似したiPSCに依存しているため、3Dオルガノイド培養の老化表現型に類似する能力も限られています。^[9]研究者は現在^{[いつ？ ]}アルツハイマー病と老化に関連する共通の転写プロファイルを調査し、将来の生物医学研究と治療法開発のためにこれらのランドスケープを iPSC に再導入することを目指しています。^{[引用が必要]}

ニューロンの微小生理学的システムは、「脳オンチップ」とも呼ばれ、3D培養と、培養細胞に供給される培地を循環させるマイクロ流体プラットフォームを組み合わせたものです。 ^[10]これらのデバイスは、細胞の生存率を向上させ、3D培養の内層への酸素の利用可能性と栄養素の供給を改善するため、生理学的条件をより適切にモデル化するという点で有益です。^{[9] [25]}これらのシステムはさらに、流体のせん断応力、張力、圧縮などの生理学的合図を導入し、これらのin vitro条件をin vivo環境により近づけることができます。^[8]微小生理学的システムは、アミロイドβ凝集、過剰リン酸化タウ、神経炎症を再現するとともに、より生理学的に関連のある細胞間相互作用への反応として、ミクログリア細胞の動員、サイトカインとケモカインの放出、ミクログリア細胞の神経毒性活性化を示すことが示されました。^{[10]これらのシステムは、脳内皮細胞を組み込んで}血液脳関門を模倣して開発することもできるため、アルツハイマー病におけるBBB機能不全、血液から脳に移行する可能性のある新規治療薬のスクリーニング、治療薬物動態、薬物の吸着、分布、代謝、排泄、毒性（ADMET）傾向の非常に有用なモデルとなります。^{[8] [10] [25]}

アルツハイマー病のげっ歯類動物モデルは、げっ歯類と人間が多くの主要な脳領域と神経伝達物質系を共有しているため、研究でよく使用されています。^[5]これらのモデルは小型で飼育しやすく、繁殖も非常に良好です。^[26]マウスとラットの平均寿命は2年で、人間よりもはるかに短いため、実験をより迅速に完了できるという利点と限界の両方があります。^[5]

ヒトのアルツハイマー病の病理を再現し、加速させるために、科学者は一般的にFAD関連の変異を導入する。^[27]動物モデルにおける遺伝子工学の対象となる一般的な遺伝子は、APP、MAPT、PSEN1、PSEN2、およびAPOEである。^[6]その結果、動物モデルは、アルツハイマー病の2つの病理学的特徴であるアミロイドβプラークおよび/または神経原線維変化を形成する傾向が高くなります。^[6]これらの変異遺伝子は、病気の病理をさらに複製する方法として、過剰発現（第一世代モデル）または内因性レベルで発現（第二世代モデル）することができます。^[6]科学者はまた、同様のアルツハイマー病の病理が見られることを期待して、変異していないヒト遺伝子を過剰発現させます。^[28]これらの導入された変異やヒトアルツハイマー病関連遺伝子の過剰発現は、これらの動物に認知障害、長期増強（LTP）の欠陥、シナプス喪失、グリオーシス、およびニューロン喪失をさらに示す可能性があります。現在のモデルはアルツハイマー病様病態を誘発するためにFAD変異に大きく依存しているため、患者で最も一般的な診断タイプであるSAD（散発性アルツハイマー病）を完全に再現する理想的なモデルはまだ存在しません。^[29]

これらの系統を生成するために使用される一般的な方法は、特定のプロモーターによって制御されるトランスジーンの使用、 Cre-Lox組み換え、およびCRISPR-Cas9システムです。科学者は、脳室内注射^[30] 、静脈内注射^{[31] 、 [32]、}または海馬内注射^[33]などの注射方法を使用して、野生型のげっ歯類をアルツハイマー病の病理を示すように改変することもできます。これらのげっ歯類モデルは、ヒトでの臨床試験に進む前に、アルツハイマー病の治療薬の試験および開発によく使用されます。^[要出典]

非ヒト霊長類は、研究者がアルツハイマー病のメカニズムを研究したり、治療法を開発したりするために使用することができます。 非ヒト霊長類は、げっ歯類モデルと比較して、ヒトとより類似した老化パターンを示すため有用です。^[60]非ヒト霊長類の老化の過程では、アルツハイマー病に類似した神経障害、認知機能の変化、アミロイドβ沈着が現れることがあります。^[60]これらのモデルは老化のプロセスの研究に有用ですが、必ずしもアルツハイマー病の正確なモデルであるとは限りません。 AD研究で使用される一般的な非ヒト霊長類には、アカゲザル（Macaca mulattas）、オオカミザル（Macaca arctoides）、ネズミキツネザル（Microcebus murinus）、コモンマーモセット（Callithrix jacchus）、カニクイザル（Macaca fascicularis）などがあります。^[60]これらのモデルは、自然発生的に、またはアルツハイマー病反応の人工的な誘導を通じて研究することができる。^[60]これらのモデルを誘導するために使用される一般的な技術には、コリン作動性神経系の損傷、アミロイドβ注射、内因性ホルムアルデヒド、およびストレプトゾトシン（糖尿病を誘発するメチルニトロソウレア糖化合物）が含まれる。^[60]

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