Phenotypes and Cellular Mechanics of Primary Human Aorta- and Pluripotent Stem Cell-derived Vascular Smooth Muscle Cells

私たちの血管の壁の内側には、血流のマスターレギュレーター（主制御因子）として機能する、特殊な筋肉細胞の層が存在します。これらの細胞は血管平滑筋細胞として知られ、循環の門番としての役割を果たしています。これらが健康で成熟しているとき、細胞は穏やかに、かつしっかりと収縮した状態を保ち、血管をしっかりと開いた状態に維持することで、血圧を一定に保つ強力なグリップ力を発揮します。しかし、体が損傷を修復する必要があるときや、疾患が襲ってきたとき、これらの細胞は性質を変えることがあります。彼らはそのグリップを緩め、より大きく成長し、裂け目を塞いだり新しい組織を構築したりするために急速に増殖します。この、安定した「収縮状態」と、多忙な「成長状態」の間を切り替える能力は、健康維持に不可欠ですが、同時に動脈瘤として知られる動脈の弱体化や膨張といった、多くの危険な状態を引き起こす原動力ともなります。これらの細胞がどのように機能し、なぜ時として破綻するのかを理解するために、科学者たちは研究室でこれらを研究する必要があります。数十年にわたり、研究者たちは人間のドナーから直接これらの細胞を採取することに頼ってきましたが、この手法には重大な欠陥があります。それは、ドナーごとに個体差があり、細胞は体内から取り出されると行動が変化してしまうことが多いため、結果が特定の疾患によるものなのか、それとも人間同士の自然な個体差によるものなのかを判別するのが困難であるという点です。

この問題を解決するため、研究チームはあるより一貫した供給源へと目を向けました。それが、ヒト多能性幹細胞です。これらは、体内のあらゆる種類の組織になることができるマスター細胞です。これらの幹細胞を特定の発生経路へと導くことで、科学者たちは培養皿の中に新鮮な血管平滑筋細胞の供給源を作り出しました。彼らの新しい研究の目的は、これらラボで育てられた細胞が、本当に本物のヒト動脈にあるものと同じように振る舞うかどうかを確認することでした。彼らは、幹細胞由来の細胞を、心臓から血液を運ぶ大きな血管であるヒトの大動脈から採取された細胞と比較しました。研究者たちは、ラボで作られた細胞が、本物の細胞が持つ2つの主要な状態、すなわち「多忙な成長状態」と「穏やかな収縮状態」を模倣できるかどうかを知りたいと考えました。また、細胞の物理的な強さ、つまり血液の通り道としての形状を維持するための鍵となる、周囲に対してどれほどの力を及ぼせるかを測定することも目的としました。

チームはまず、幹細胞由来の細胞を培養し、それらを慎重に平滑筋のタイプへと誘導することから始めました。その結果、これらの細胞は確かに2つの状態の間を切り替えることができることが分かりました。そのまま放置しておくと、細胞は成長型の合成的なバージョンとして振る舞い、増殖して空間を埋めていきます。ところが、研究者が特定の化学的阻害剤を培養液に加えると、細胞は分裂を停止し、成熟した収縮型の細胞へと変貌しました。処理された細胞はより大きく成長し、より強い内部繊維を発達させ、筋肉の収縮を司るタンパク質を高レベルで生成しました。これらのラボ育ちの細胞が単に見た目だけでなく、機能としても役割を果たしていることを確認するため、チームは物理的な強さを測定しました。彼らは単一の細胞を極めて小さな柔軟な柱の上に配置し、細胞が柱を引っ張ることで、柱がどれほど曲がるかを観察しました。また、数百の細胞を含む3次元的な微小組織を構築し、それらの小さな束が締め付けられる際に発生させる集団的な力を測定しました。

結果は、ラボで育てられた細胞とヒトドナーから採取された細胞との間に、驚くべき類似性があることを示しました。両方のタイプの細胞は同等の範囲の力を発生させており、柱1本あたり数十億分のニュートンという強さで引き寄せていました。これにより、幹細胞由来の細胞が、天然の細胞と同じ仕事を果たす機械的な能力を備えていることが確認されました。しかし、この研究は同時に、信頼性における大きな違いも浮き彫りにしました。ヒトの大動脈から直接採取された細胞は、バッチ（製造単位）ごとに極めて大きなばらつきがありました。あるバッチには目的とする筋肉細胞が満ちている一方で、別のバッチには他の細胞型が大部分を占めていたり、ドナーの年齢や動脈の部位によって強度や挙動が予測不能に変化したりしていました。対照的に、幹細胞由来の細胞は驚くほど一貫していました。どのバッチも同じように振る舞い、化学的なスイッチに対して同様の反応を示し、同じ量の力を生成しました。

研究者たちはまた、同じ化学的処理を用いることで、天然のドナー細胞をより成熟した収縮型へと変化させることができるかどうかもテストしました。その結果、それは可能ではあるものの、ドナー細胞のバッチ間では反応に一貫性がないことが分かりました。あるバッチは強く反応して非常に強固で収縮性の高いものへと変化しましたが、別のバッチではほとんど変化が見られませんでした。この不一致があるために、ドナー細胞のみを用いた場合には明確な結論を導き出すことが困難になります。研究は、ヒトドナーの細胞は有用ではあるものの、血管のメカニズムを研究するための完璧なツールとしては、「ノイズ」が多すぎると結論付けました。一方で、幹細胞由来の細胞は、クリーンで再現性の高いモデルを提供します。これらは、成長状態と収縮状態の間を高い精度で切り替えることができ、かつ実物のヒト細胞と一致する力を生成します。これにより、科学者たちは、自然な人間の個体差による混乱を招くことなく、血管がどのように機能し、疾患によってどのように崩壊し、そして新しい薬がどのようにそれを修復できるのかを研究するための、信頼できる標準化されたツールを手にすることになったのです。