スタンフォード大学の Sergiu Paşca 研究室のホームページに掲載されているミッション ステートメントは、シンプルであると同時に驚くほど野心的です。彼のグループは、「人間の神経系の組み立ての根底にある分子的および細胞的ステップを支配する規則と、神経学的および精神医学的疾患につながる分子メカニズムを理解しようとしています。」
この目標に向けて Paşca が選択したルートは、高度な形の幹細胞技術を使用しています。まず、彼は自閉症の人や統合失調症などの障害を持つ患者の皮膚細胞を遺伝的に再プログラムして、用途の広い幹細胞にします。それから彼は、細胞を実験用皿の神経組織としてより明確な状態に落ち着かせるように誘導します。スタンフォード大学の精神医学および行動科学の教授であり、Wu Tsai Neurosciences Institute の所長である Paşca は、これらの細胞がどのように機能または誤動作するかを観察することにより、神経疾患を持つ人々の脳が異なる理由についての洞察を得ています。
これらのモデル システムをより現実に即したものにしようとする彼の努力の中で、彼は一見素晴らしい科学的革新を成し遂げました。 Paşca はパロアルトの研究室で、人間の脳のさまざまな領域に似た小型の球状組織、つまりオルガノイドを作成しました。彼と彼の同僚は、脳、脊髄、および筋肉組織のオルガノイドを、コマンドでけいれんできる「集合体」にリンクしました。
そして、今日発表されたばかりの新しい研究で、Paşca のチームは、若いラットの発達中の脳に導入された人間のオルガノイドが自発的に広がり、動物の神経回路に統合できることを示しました。この結果は、人間の脳の研究モデルへの道を示しています。これまで以上にリアルでありながら、実践的かつ倫理的に取り組むことができます。
ニューヨークのヴィルチェク財団が 2018 年の生医学における創造的約束に対してパシュカに賞を授与したのは、彼の努力が、今日の研究者が利用できる最も現実的な脳の発達のモックアップの 1 つである、患者由来の脳培養のリポジトリにつながったからです。 .」
彼のポスドク アドバイザーである遺伝子治療会社 uniQure の研究開発部門の社長である Ricardo Dolmetsch 氏によると、「Sergiu 氏の研究は、いつの日か失われた脳細胞を病気の人に移植したり、神経学の実験モデルを開発したりできるようになる可能性を高めています。または精神疾患を薬の開発に使用できます。」
昨年の夏、Zoom と電話で Paşca と話をしました。インタビューは、わかりやすくするために要約および編集されています。
ずっと科学研究をしたいと思っていましたか?
幼い頃から。はい。
私はルーマニアのトランシルバニアの小さな街で育ちました。子供の頃、実家の地下に実験室を作りました。さまざまな化学物質を土壌に加えて、その効果を測定することで、植物の成長を改善しようとしました.一度、銅ベースの分子を追加しました。これにより、私の植物の 1 つが 20% 増加しました。それが私を研究に夢中にさせました.
そして今日、あなたは実験室で神経細胞を培養しています。どうしてそうなったのですか?
[笑い ] 長い話です。チャウシェスクの独裁政権が打倒されてから数年間、私は学校に通いました。当時、ルーマニアは独裁の長期的な影響、孤立、開発不足に苦しんでいました。高校卒業後、化学の全国大会で入賞。この賞には、ルーマニアの大学への入学が含まれていました。私はクルジュナポカにあるIuliu Haţieganu医科大学を選びました。アイデアは、医師研究者になることでした。私は当時、そして今でもそう感じています.
残念なことに、医学部に入学したとき、リソースがほとんどないことに気付きました。助成金も、研究用の試薬もありません。しかし、非常に献身的な教授が 1 人いて、彼女は自分のお金 200 ユーロ (当時としては大金) を使って、小さな試薬キットをドイツに注文しました。次に、1 年間、それを最大限に活用する方法を計画しました。
そして、それが脳障害の研究が私に最初に浮かんだ方法です。その試薬キットを使用して、心血管疾患患者の血液中の代謝物を検査することを検討していました。しかし、何かを学ぶためには、何百人、もしかしたら何千人もの患者を検査する必要があります。 50 回の反応に必要な試薬しかありませんでした!
ある日、統計学の授業で、あることに気が付きました。少人数の患者コホートを対象に研究を行う唯一の方法は、まれな病気に注目することだということです。私は思った:自閉症。
自閉症？それほど珍しいことではありません — 50 人に 1 人が何らかの形で発症しています。
20 年前は知りませんでした。
私の考えは、自閉症児の血液中に自閉症の兆候を見つけることができるかどうかを確認することでした.この研究を行うために、私は両親に子供たちの少量の血液を寄付するよう説得する必要がありました.彼らとの会話は胸が苦しくなりました。家族が経験した計り知れない苦しみに目が開かれました。両親は、「何が原因なの?」と考えました。
私が言えることは、「何も知られていない」ということだけでした。
より良い答えを提供できるようにするために、国際脳研究機関である IBRO が提供するブカレストのコースに登録しました。彼らはアメリカとイギリスの神経科学者で、高度な脳科学を孤立した国々に持ち込もうとしていました。彼らのプレゼンテーションの明快さと、彼らが説明した神経科学的発見の美しさは、私を非常に興奮させました.
クラスでは、スタンフォード大学の神経生物学プログラムの創設者の 1 人であるジャック マクマハンと知り合うことができました。私たちは連絡を取り合い、その後、彼は私がカリフォルニアに来るのを手伝ってくれました.
代謝物研究はどうなりましたか?
自閉症患者の中には、一炭素代謝に異常がある人がいることを発見しました。葉酸とビタミン B 群に依存するこの経路はわずかに妨げられており、これはおそらく遺伝的要因と栄養要因の組み合わせに関連していた.
医学部を卒業するまでに、自閉症に関するいくつかの論文を発表していました。ジャック・マクマハンはそれらを読み、「スタンフォードに来ませんか？研究室をこの方向に動かすことに興味を持っている同僚がいます。」それが、数年後にノバルティス生物医学研究所の神経科学のグローバル責任者になったリカルド・ドルメッチでした。
資金を得るまでには時間がかかりましたが、最終的に IBRO フェローシップを受け、パロアルトに来ました。
ドルメッチ研究所での任務は何でしたか?
人間の脳について学ぶための新しいアプローチを作成すること。
数年前、カリフォルニア大学サンフランシスコ校と京都大学の山中伸弥氏は、マウスから皮膚細胞を採取し、再プログラムして人工多能性幹細胞 (iPS 細胞) に戻す方法を発見しました。幹細胞は、神経系のビルディングブロックであるニューロンを含む、あらゆる種類の異なる細胞に誘導することができます.山中はこれでノーベル賞を受賞するだろう.
リカルドの研究室では、ヒト iPS 細胞をニューロンに変換する方法を見つけることを計画していました。アイデアは、自閉症の子供から皮膚細胞を取得し、それらを幹細胞に戻し、ペトリ皿でニューロンになるように導くことでした.成功すれば、人間の神経系がどのように発達するかを完全に理解することを妨げてきた障壁を飛び越えることができます。これは、自閉症、てんかん、統合失調症などの神経精神医学的状態の生物学的基盤をより明確に理解する方法となるでしょう.
これらの障壁は何ですか?
主な問題は、人間の脳が耐えられないほどアクセスできないことです。
脾臓や肝臓に異常がある場合、医師は生検を行い、組織を分析します。この実践は医学に革命をもたらしました。研究者は、患者の細胞を採取して皿に入れ、機能不全のメカニズムを特定し、さまざまな化合物を適用してそれらを回復することができました.それが彼らが新薬を発見した方法です。
しかし、ごくまれな状況を除いて、人間の脳組織を直接研究するために、生きている人の頭蓋骨に穴を開けることはありません。医療上のリスクに加えて、深い文化的タブーがあります。私たちは脳を「私たち」、つまり私たちが誰であるかと関連付ける傾向があります。脳に直接触れることで、これらの方法はある意味で「自己」に干渉しているように見えます。
医学部での臨床ローテーションを思い出すと、腫瘍学病棟の同僚がうらやましく思えました。分子生物学の革命は、彼らが興味を持っていた癌組織へのアクセスと相まって、彼らがパイプラインに新しい治療法を持っていたことを意味しました.たとえば、白血病では驚くべきことが起こりました。
自閉症では何もありませんでした。脳組織を直接研究できなかったため、問題を引き起こしたメカニズムを特定できませんでした。できたとしても、何を探すべきかわからなかったでしょう。
剖検から得られた人間の脳組織を研究できませんか?
死後の脳は、生きているニューロンの電気的活動についてほとんど教えてくれません。その活動を測定する必要があるのは、それが脳内のニューロンが行うことであり、電気信号を発するためです。
動物モデルに関しては、精神疾患の研究に関しては限界があります。人間の脳は、マウスやマカクよりも複雑です。何百万年もの進化が、私たちをこれらの動物から引き離しています。私たちは、げっ歯類で大成功を収め、人間での臨床試験で失敗した薬の例を無数に見てきました.
生きた人間の脳組織を自分たちで作ることで、事態を前進させることができるのではないかと考えました.
あなたの考えは物議を醸したに違いありません.
ああ、そうです。もったいないと思った人もいました。彼らは、皮膚細胞を変化させると、病気の病態生理が失われ、新しいものを発見できなくなると考えていました.
しかし、8か月以内に、自閉症の遺伝的形態を持つ患者の皮膚として始まった幹細胞から、機能するヒトニューロンが得られました.それらを顕微鏡で見ると、それらがカルシウム信号を発しているのが見えました.
どのようにニューロンを作るのですか?
細胞の再プログラミングにより、皮膚細胞から幹細胞が生まれました。次に、幹細胞が他のタイプの細胞に分化するように誘導しました。
幹細胞は分化するのが大好きです。それらは他の細胞型に変わる必要があります。そして実際には、ほとんどデフォルトでニューロンになる可能性が高い.ニューロンを作るのにそれほど多くのことをする必要はありませんが、それらを導くことは役に立ちます。あなたがしていることは、幹細胞が保持されている培地に、形質転換を促進する分子をスパイクすることです.場合によっては、分子を取り除くこともあります。
私たちはすぐに何百万もの美しいニューロンを手に入れました。悪いニュースは、私たちのニューロンが単一の細胞層でペトリ皿の底にくっついていて、数週間培養した後、彼らがあきらめたということでした.人間の脳が何ヶ月にもわたって発達するときに何が起こるかを明らかにするには、より長く持続するニューロンが必要でした.
アイデアがありました。焦げ付き防止物質でコーティングされたプラスチック製の実験皿のセットを購入し、その中で細胞を培養しました。驚くべきことに、ギャンビットはうまくいきました！細胞は皿にくっつくことができませんでした。代わりに、それらはそれらを維持しながら培地の中で浮遊し、エンドウ豆のサイズの小さなボールに集約されました.
最初に、これらの浮遊する細胞の塊をスフェロイドと呼びました。後に、それらはオルガノイドとして知られるようになりました — 特定の器官に似ていますが、そうではありませんでした.
これらのボールの細胞は、あなたの孤立したニューロンとどう違うのですか?
彼らは三次元空間で成長していました。彼らは動き回り、互いに交流しました。重要なことに、それらは皿の中で長期間維持できます。
適切な状況下では、オルガノイドを 900 日間保管することができました。そして、それは私たちが新しいものを観察することを可能にしました.たとえば、約9か月または10か月で、細胞は出生前のニューロンよりも出生後のニューロンのようになりました.彼らは時間の経過と、それが彼らの成長にとって何を意味するかについて感覚を持っているようでした.
オルガノイドは研究にどの程度役立ちましたか?
彼らと一緒に行った実験についてお話ししましょう。
22番目の染色体の一部が失われる22q11.2欠失症候群と呼ばれる遺伝病があります。患者は統合失調症のリスクが 30 倍に増加します。また、自閉症やその他の神経精神障害を発症することもあります。 15 人の患者と 15 人の健常者を募集し、彼らが提供した皮膚から大脳皮質に似たニューロンの作成を開始しました。患者の神経細胞が異常な電気特性を持っていることがわかりました。お互いに適切に通信できませんでした。
現在、統合失調症はしばしば抗精神病薬で治療されています。患者の細胞から作られた皮質オルガノイドが入った皿にこれらの薬のいくつかを入れたところ、抗精神病薬がニューロンの電気的特性の問題を逆転させることがわかりました.
これは、皿の中でこれらの薬をテストする方法ができたことを意味します.
あなたはオルガノイドについて話しました。しかし、アセンブリロイドとは何ですか?
Assembloids は、私たちが 6 ～ 7 年前に考案した新しいモデル システムです。それらは、少なくとも 2 つの異なるタイプのオルガノイドから、またはオルガノイドを他の特殊な細胞タイプと組み合わせることによって構築された、3 次元の細胞培養システムです。それらを組み合わせることで、それらの密接な相互作用から生じる新しい細胞特性を見ることができます.
異なる脳領域に似た 2 つのオルガノイドを組み合わせて、ニューロンがどのように互いに投射し、接続して回路を形成するかを確認できます。または、オルガノイドを免疫細胞と組み合わせて、疾患における神経免疫相互作用を調べることもできます。
たとえば、ティモシー症候群と呼ばれる遺伝性疾患に関連するまれなタイプの自閉症があります。これは、カルシウム チャネルをコードする遺伝子の一文字変異によって引き起こされます。細胞が電気信号を受け取ると、過剰なカルシウムが細胞に入るのを許してしまいます。これは、ニューロンやその他の興奮細胞内の化学信号の伝達を妨げます。
ティモシー症候群の患者から皮膚細胞を採取し、アッセンブロイドを作成し、その中で何が起こっているかを観察しました.患者の細胞から成長したニューロンはより頻繁に移動したが、健康な対照グループのニューロンよりも移動距離が短かったことがわかりました。患者の細胞は最終的に組織内で遅れをとった.
これをリアルタイムで目撃できたのはスリリングだったに違いありません。
あなたはそれを見ることができました！文字通り自分の目で見ることができます!
カルシウムを着色する染料がありました。カルシウムが細胞に入った瞬間、色が上がったり下がったりして、細胞内にどれだけのカルシウムが入ったかを測定することができました.患者の細胞にはそれ以上の量がありました.
私たちは 6 年を費やして、そのカルシウム チャネルがどのようにしてこれらの特定のタイプのニューロンの動きに欠陥を引き起こすのかを正確に解明しました.患者の変異したチャネルは、ニューロンの 2 つの異なる分子経路に影響を与えます。重要なことは、活性を回復するには 2 つの異なる薬物が必要であることを発見したことです。私たちは、将来治療につながる可能性のあるものの基盤ができたと考えています.
それを捉えるためには細胞が 3 次元で相互作用する必要があるため、集合体がなければこれを学習することはできなかったでしょう。
あなたの新しい論文では、あなたの研究室で、人間のニューロンが 1 つの半球で動物の皮質の 3 分の 1 を覆い、脳に深く統合されたラットを作成したと発表しました。このモデルを作成する理由
10 年以上にわたり、私たちは人間の神経系の多くの側面を再現する培養皿を作り続けてきました。しかし、これらの培養には限界があります。私たちが作ったニューロンは、それほど大きくなりません。実際の人間の脳にあるような行動出力はありません。そして、彼らは発達を形作る感覚入力を受け取りません - 皮質は信号を受け取る必要があります.私たちは、これらの人間のニューロンに意味のある外部入力を提供しようとしてきました.
次のステップは、ラットの脳内で人間のニューロンを成長させることでした。オルガノイドを取り出し、子ラットの大脳皮質に移植しました。オルガノイドはラットによって血管新生され、最終的に大脳皮質半球の 3 分の 1 を覆うように成長しました。
あなたは人間の脳研究用の動物モデルがあまり好きではないと思いました.何が起こったのですか?
動物モデルとヒト細胞モデルは補完的だと思います。この場合、動物への移植により、ヒトニューロンを回路に統合してこれらの疾患を理解し、薬をテストすることができます。また、人間のニューロンが生きた回路内でどのように情報を処理しているかを理解するもう 1 つの方法でもあります。
つまり、オルガノイドからのこれらのヒト ニューロンは、ラットの脳内で成長する機会があり、動物から入力と出力を受け取ることができました。オルガノイド内でのみ成長したニューロンと比べてどうですか?そして、それらは私たち自身の脳で成長するニューロンとどのように比較されますか?
移植されたヒトニューロンは、皿に維持された匹敵する発達のヒトニューロンよりも約6倍大きい。それらはまた、電気生理学的により成熟しており、より多くのシナプスを形成しており、出生後の人間の脳のニューロンに非常に近い.
非常に多くのヒト ニューロンを獲得したこれらのラットで、何らかの行動上の違いが見られますか?
いいえ。ラットをテストした認知課題と運動課題に違いはありません。また、検証したところ、発作は発生していません。ただし、ラットは、人間のニューロンの刺激と報酬の提供を関連付けるように訓練することができます。これは、人間の脳障害を研究する前例のない機会を提供します。
アッセンブロイドとオルガノイドはどの時点で何らかの法的権利を持つべきですか?
in vitro 培養では、細胞の塊に過ぎないと思います。私たちはそれらを頭脳とは考えていません。動物への移植に関しては、より微妙になります。
生命倫理学者はあなたの実験についてどう感じていますか?
私たちは彼らと密接に協力しています。この道に沿ってずっと、私はスタンフォードやそれ以降の倫理学者との議論に積極的に関わってきました.私たちが行うすべての実験は綿密に監視され、倫理学者と議論されています。実験を単独で行うことはありません。実験は、実施する前に議論されます。もちろん、実行中にも議論されます。その影響、長所と短所について説明します。
フランケンシュタインについて考えたことはありますか
私はそれについてよく考えます。しかし、この話は今日の科学とはあまり関係がないと思います。今日の世界では、倫理的な技術を開発することができます。多くの場合、研究者の動機と関係があります。私の長期的な目標は、これらの神経発達障害の治療法、そしておそらく治療法を見つけることです.それが私の北極星です。
数年前、彼女が CRISPR でノーベル賞を受賞する前に、私はジェニファー ダウドナに、この遺伝子編集技術の誤用の可能性について心配していないかと尋ねました.彼女は、「一部の地域では、人間の胚を急いで変えたいという願望」について懸念していると答えた.その後まもなく、中国の深センに住む野心的な研究者が、CRISPR を使用して 2 人の人間の赤ちゃんの遺伝子コードを修正したと発表しました。新聞を手に取って、どこかの科学者があなたの研究を使って人間の脳の一部を時期尚早に作り出したことを発見することを心配したことはありますか?
いいえ。オルガノイドの研究と CRISPR を区別するものの 1 つは、実験に必要なリソースです。 CRISPR を使用して遺伝子編集を行うには、ある程度のトレーニングとわずかなリソースしか必要ありません。キッチンでできる！私たちが行うことは、より多くの時間とお金を必要とします。細胞を 900 日間生存させるには、非常に費用がかかり、専門的なトレーニングと設備が必要です。この事実だけでも、発見とその意味を処理するための息抜きの余地が与えられます。
これを行うために必要なインフラストラクチャと専門知識を備えた場所はほとんどありません。私たちは人間の脳の発達を再現しようとしていますが、これには非常に長い時間がかかります。その隠されたエンジニアリングを明らかにするには、さらに時間がかかります。私は過去 15 年間、毎日これに取り組んできました。
いくつかの解決策にどれくらい近づいていますか?
私は希望を持っていますが、非現実的になりたくありません。 15 年前よりも確実に良くなっています。現在、自閉症に関連する遺伝子の長いリストがあり、それらを研究するためのこの新しいツールがあります.しかし、これらの突然変異した遺伝子がどのようにして脳内で問題を引き起こし、効果的な薬を開発できるかを理解する必要があります.
あなたの話は、20 年前のルーマニアで、自閉症の子供を持つ親に何を言うべきかわからなかったときに始まります。今その国に戻ったら、何と言いますか?
私が正直に言えるのは、私は希望を持っているということだけです。完治にはまだほど遠い状態です。一方で、近年、他の一見不溶性疾患に大きなブレークスルーがありました。それは私に途方もない希望を与えてくれます.
