神経幹細胞

幹細胞には大きく分けて2種類あります。分化能力が限られている成体幹細胞と、多能性がありあらゆる細胞型に分化する能力を持つ胚性幹細胞（ESC）です。 ^{[ 3 ]}

神経幹細胞は、中枢神経系（CNS）のニューロンとグリア細胞を生み出す放射状グリア細胞のみを生成するため、ES細胞よりも特殊化している。 ^{[ 4 ]}脊椎動物の胚発生中、NSCは放射状グリア細胞（RGC）、別名放射状グリア前駆細胞（RGP）に移行し、脳室帯（VZ）と呼ばれる一時的な領域に存在する。^{[ 1 ] [ 6 ]}ニューロンは、胚発生の特定の時期に神経発生の過程を通じて（RGP）によって大量に生成され、成体脳の限られた領域で成体期にも生成され続ける。^{[ 7 ]}成体のNSCは、胚性神経上皮の残存物である成体脳室下帯（SVZ）および海馬の歯状回 内で新しいニューロンに分化する。^{[ 7 ]}

成体神経幹細胞は、1990年代初頭にマウス線条体から初めて分離されました。これらは、体外で培養すると多能性神経球を形成する能力があります。神経球は、自己複製および増殖する特殊細胞を産生することができます。これらの神経球は、特定のニューロン、グリア細胞、およびオリゴデンドロサイトに分化することができます。^{[ 7 ]}これまでの研究では、培養された神経球が免疫不全新生児マウスの脳に移植され、生着、増殖、および神経分化を示しました。^{[ 7 ]}

神経幹細胞は、微小環境または幹細胞ニッチからの外因性シグナルによって分化を開始するように刺激されます。刺激を受けると、一部の神経細胞は、上衣細胞とアストロサイトを含む骨髄様構造を持つ吻側移動経路に沿ってSVZから移動します。上衣細胞とアストロサイトは、移動する神経芽細胞が使用するグリア管を形成します。管内のアストロサイトは、移動する細胞を支持するとともに、周囲の細胞から放出される電気的および化学的信号から絶縁します。アストロサイトは、急速な細胞増殖の主要な前駆細胞です。神経芽細胞は密な鎖を形成し、神経細胞を修復または置換するために、細胞損傷の特定の部位に向かって移動します。1つの例として、神経芽細胞が嗅球に向かって移動し、接線方向ではなく放射状の移動パターンを持つ周糸球体ニューロンまたは顆粒ニューロンに分化することが挙げられます。^{[ 8 ]}

加齢に伴い神経幹細胞の増殖は低下する。^{[ 9 ]}この加齢に伴う低下に対抗するために様々なアプローチが取られてきた。^{[ 10 ]} FOXタンパク質は神経幹細胞の恒常性を調節するため、^{[ 11 ]} FOXタンパク質はWntシグナル伝達を 阻害することで神経幹細胞を保護するために使用されてきた。^{[ 12 ]}

成体神経幹細胞の最も広く受け入れられているモデルは、放射状のグリア線維性酸性タンパク質陽性細胞です。静止状態の幹細胞はB型で、脳内に存在する血管、アストロサイト、ミクログリア、上衣細胞、細胞外マトリックスからなる特定のニッチによって提供される再生可能な組織のおかげで静止状態を維持できます。これらのニッチは、外部刺激によって活性化されるまで、幹細胞に栄養、構造的サポート、および保護を提供します。活性化されると、B型細胞はC型細胞、つまり活発に増殖する中間細胞に発達し、その後、A型細胞からなる神経芽細胞に分裂します。未分化の神経芽細胞は連鎖を形成し、移動して成熟したニューロンに発達します。嗅球ではGABA作動性顆粒ニューロンに成熟し、海馬では歯状回顆粒細胞に成熟します。^{[ 14 ]}

神経幹細胞は、発達中のCNSにおいて、ニューロン、アストロサイト、オリゴデンドロサイトの膨大な多様性を生み出すという、発達期における重要な役割を担っています。また、成体動物においても、例えば成体マウスの学習や海馬の可塑性、さらにマウスの嗅球へのニューロン供給など、重要な役割を果たしています。^{[ 7 ]}

特に、疾患における神経幹細胞の役割は、現在世界中の複数の研究グループによって解明されつつあります。動物モデルおよびヒトにおける脳卒中、多発性硬化症、パーキンソン病における反応は、現在の研究の一部です。この進行中の研究の結果は、将来的にヒトの神経疾患の治療に応用される可能性があります。^{[ 7 ]}

神経幹細胞は、サンジェイ・マガヴィとジェフリー・マクリスが行った古典的な実験で、死滅したニューロンの移動と置換に関与することが示されている。^{[ 18 ]}マガヴィは、皮質層のレーザー誘発損傷を用いて、神経芽細胞の移動に重要な分子であるダブルコルチンを発現するSVZ神経前駆細胞が、損傷領域まで長距離移動し、NeuNマーカーを発現する成熟ニューロンに分化することを示した。さらに、日本の中福正人グループが、マウスの脳卒中における海馬幹細胞の役割を初めて示した。^{[ 19 ]}これらの結果は、NSCが損傷の結果として成体脳に関与できることを示した。さらに、2004年にエヴァン・Y・スナイダーのグループが、NSCが方向性を持って脳腫瘍に移動することを示した。ハーバード大学のジェイミー・イミトラ医師らは、NSCの損傷に対する応答の分子メカニズムを初めて実証した。彼らは、SDF-1αなどの損傷時に放出されるケモカインが、マウスの損傷部位へのヒトおよびマウスNSCの指向性移動に関与していることを示した。^{[ 20 ]}それ以来、他の分子もNSCの損傷に対する反応に関与していることが判明している。これらの結果はすべて、発生中の神経新生を可視化するためのオートラジオグラフィーにおけるリチャード・L・シドマンの古典的な研究、および1960年代のジョセフ・アルトマンによる成人の神経新生の研究に加わる他の研究者によって広く再現され、拡張されており、恒常性および損傷時の成人NSCの活動と神経新生の反応の証拠となっている。

損傷環境下で作用する追加的なメカニズムの探索と、それらが急性および慢性疾患中の神経幹細胞の反応にどのように影響するかは、集中的な研究の対象となっている。^{[ 21 ]}

細胞死は、急性中枢神経系疾患および神経変性疾患の特徴である。中枢神経系における細胞置換および修復のための再生能力の欠如により、細胞の喪失が増幅される。これを回避する方法の1つは、再生性神経幹細胞（NSC）を介した細胞置換療法を使用することである。NSCは、神経球として体外で培養することができる。これらの神経球は、EGFやFGFなどの成長因子を有する神経幹細胞および前駆細胞（NSPC）から構成される。これらの成長因子を除去すると、ニューロン、アストロサイト、またはオリゴデンドロサイトへの分化が活性化され、損傷部位の脳内に移植することができる。この治療アプローチの利点は、パーキンソン病、ハンチントン病、および多発性硬化症で検討されている。NSPCは、神経保護および免疫調節の固有の特性を介して神経修復を誘導する。移植の可能な経路には、脳内移植および異種移植が含まれる。^{[ 22 ] [ 23 ]}

神経変性疾患に対する研究で注目されている移植療法の一つに、神経幹細胞の方向性誘導がある。^{[ 24 ]} NCSの直接移植は、生存率の低さや不合理な分化といった課題を抱えている。こうした限界を克服するため、NCSの直接誘導は、移植前にNCSの分化を操作することを目的としている。現在、NSCは、中枢神経系組織、多能性幹細胞（PSC）の分化、体細胞からの分化転換によって得られている。誘導されたNCSは、体細胞から再プログラム化することができる。したがって、方向性誘導は、さまざまな供給源からNSCを取り出し、目的の神経系細胞に分化させる。この技術の治療的応用例としては、腹側中脳ドーパミン作動性（DAergenic）ニューロンをPDのさまざまなモデルに標的分化させることが挙げられる。^{[ 24 ]}神経変性疾患であるパー​​キンソン病（PD）の現在の治療法には、ドーパミン補充療法（DRT）が含まれます。これはPDの症状を緩和するのに効果がありますが、病気が進行するにつれて、緩和メカニズムは非線形的に影響を受けます。^{[ 25 ]}

NSPC移植の代替治療アプローチとして、内因性NSPC（eNSPC）の薬理学的活性化がある。活性化されたeNSPCは神経栄養因子を産生し、STAT3のセリン残基のリン酸化とそれに続くHes3発現の上昇（STAT3-Ser/Hes3シグナル伝達軸）を含む経路を活性化するいくつかの治療法は、神経疾患モデルにおける神経細胞死と疾患進行に抵抗する。^{[ 26 ] [ 27 ]}

ヒト中脳由来神経前駆細胞（hmNPC）は、神経球や複数の神経表現型につながる複数の神経細胞系統に分化する能力を持っています。hmNPCは、ヒト中枢神経系の3D in vitroモデルの開発に使用できます。hmNPCの培養方法には、接着単層培養と神経球培養システムの2種類があります。神経球培養システムは、血清フリー培地条件下、および上皮成長因子（EGF）と線維芽細胞成長因子-2（FGF2）の存在下でhmNPCを凝集・増殖させる能力により、これまで中枢神経系幹細胞の分離と増殖に使用されてきました。当初、hmNPCは分離・増殖され、その後2D分化が行われ、単細胞懸濁液が作製されました。この単細胞懸濁液は、均一な凝集サイズを持つ均質な3D構造の実現に役立ちました。 3D凝集によって神経球が形成され、それを用いてin vitro 3D CNSモデルが作製された。^{[ 28 ]}

外傷性脳損傷（TBI）は脳組織を変形させ、壊死という一次損傷を引き起こし、それが連鎖的に興奮毒性、炎症、虚血、血液脳関門の破壊などの二次損傷を引き起こす可能性があります。損傷はエスカレートし、最終的にはアポトーシスまたは細胞死に至る可能性があります。現在の治療法は、出血の安定化、頭蓋内圧と炎症の軽減、およびアポトーシス促進カスケードの阻害によって、さらなる損傷を防ぐことに重点を置いています。TBI損傷を修復するために、胚性脳室周囲領域由来の神経幹細胞（NSC）を使用する治療法が有望視されています。幹細胞は、TBI患者に注入された際のNSCの生存率を高める、好ましい3次元低細胞毒性環境であるハイドロゲルで培養することができます。脳内に注入されたプライミングされたNSCは、損傷組織に移動し、神経保護因子を分泌するオリゴデンドロサイトまたは神経細胞に分化することが観察されています。^{[ 29 ] [ 30 ]}

ガレクチン-1は成体NSCで発現しており、動物モデルにおける神経疾患の治療において生理的な役割を果たすことが示されている。NSCを治療に用いるには2つのアプローチがある。(1) 内在性NSCを刺激して増殖を促進し、損傷した組織を置き換える、(2) NSCを損傷した脳領域に移植して、NSCに組織を修復させる。レンチウイルスベクターを用いてヒトNSC（hNSC）にガレクチン-1を感染させ、その後、損傷した組織に移植した。hGal-1-hNSCは、hNSCのみを移植した場合と比較して、損傷した組織の脳の回復がより良好かつ迅速になり、運動機能障害や感覚障害も軽減された。^{[ 8 ]}

神経幹細胞は、ReynoldsとWeissによって最初に開発されたNeurosphere Assay（またはNeurosphere培養システム）と呼ばれる方法を使用して、in vitroで日常的に研究されています。 ^{[ 31 ]} Neurosphereは本質的に不均一な細胞実体であり、ほとんどすべてが、ゆっくりと分裂する神経幹細胞のごく一部（1～5％）と、その子孫である、急速に分裂するnestin陽性前駆細胞集団によって形成されています。^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]}これらの前駆細胞の総数がNeurosphereのサイズを決定し、その結果、異なるNeurosphere集団内の球のサイズの差異は、神経前駆細胞の増殖、生存、および/または分化状態の変化を反映している可能性があります。実際、神経球培養におけるβ1インテグリンの喪失は、β1インテグリン欠損幹細胞が新たな神経球を形成する能力には大きな影響を与えないが、神経球のサイズには影響を与えることが報告されている。β1インテグリン欠損神経球は、細胞死の増加と増殖の減少により、全体的に小さくなった。^{[ 34 ]}

神経球アッセイは、神経幹細胞および前駆細胞の分離、増殖、さらには計数のための最適な方法であったが、最近のいくつかの論文では、神経球培養システムが神経幹細胞頻度を決定する方法としての限界がいくつか指摘されている。^{[ 35 ]} STEMCELL Technologiesは、Reynoldsと共同で、神経幹細胞の定量化のためのコラーゲンベースのアッセイである神経コロニー形成細胞（NCFC）アッセイを開発した。重要なことに、このアッセイは神経幹細胞と前駆細胞を区別することができる。^{[ 36 ]}