Establishment of a human pluripotent stem cell-derived sensory neuron model for diabetic peripheral neuropathy and pharmacological evaluation

糖尿病と共に生きる何百万もの人々にとって、手足の神経に静かに、かつ苦痛を伴う合併症が忍び寄ることがあります。糖尿病性末梢神経障害として知られるこの状態は、感覚の喪失から始まり、それはしばしば、靴下や手袋のように手足へと這い上がってくる痺れとして表現されます。時間が経つにつれ、損傷は深まり、皮膚から脳へと信号を運ぶ長く細い繊維が、外側から内側に向かって枯れ、死滅していくのです。医師は痛みを管理することはできますが、現在、この神経変性を止めたり、あるいは逆転させたりできる治療法はありません。このような治療法の探索が停滞している理由は、根本的な問題にあります。それは、科学者が研究室でヒトの神経細胞を研究するための信頼できる方法を欠いていたことです。マウスやラットの細胞は人間における細胞とは異く振る舞いますし、患者から直接神経組織を取り出すことは多くの場合不可能です。疾患を正確に模倣するヒトのモデルなしでは、新しい薬をテストすることは、エンジンそのものを一度も見ることなく、複雑なエンジンを修理しようとするようなものです。

北京市順意区病院の研究チームは、今、その「失われていたエンジン」を構築しました。彼らは、ヒトの幹細胞から成熟した感覚ニューロン（糖尿病性神経障害で損傷を受ける特定の種類の神経細胞）へと成長させる実験室モデルを作成しました。これらのヒト細胞を高血糖状態と酸化ストレスにさらすことで、科学者たちは神経損傷が起こる様子をリアルタイムで観察することができました。彼らの研究は、損傷が単なる高液圧による物理的な圧力ではなく、糖による細胞のエネルギーシステムへの毒性的影響によって引き起こされることを裏付けました。最も重要なことは、このモデルが、ある薬が神経を保護するかどうかを予測できることを示した点です。既存の3つの薬剤をテストしたところ、細胞は生存し、神経の長く繊細な枝も無傷のまま維持されました。これは、損傷を実際に修復できる治療法を見つけるための新たな道を提示しています。

この新しいモデルがどのように機能するかを理解するには、まず細胞の供給源に目を向けなければなりません。研究者たちは、体内のあらゆる組織に変化することができる特別な種類の細胞である、ヒト多能性幹細胞から開始しました。注意深く時間を計った化学的シグナルの配列を用いて、彼らはこれらの幹細胞を感覚ニューロンへと誘導しました。このプロセスには35日間を要しました。得られた細胞は、異なる種類の細胞が混ざり合ったものではなく、それらが感覚ニューロンであることを特定する特定のマーカーが存在し、運動ニューロンのマーカーが存在しない、純粋な感覚ニューロンの集団でした。この純粋さは不可欠でした。なぜなら、これにより、後に観察される損傷が、他の細胞タイプによる混乱ではなく、疾患に関与する感覚神経に特異的に起きていることを保証できるからです。

信頼できるヒト感覚ニューロンの供給源を得たチームは、ディッシュの中で糖尿病性神経障害の状態を再現することに着手しました。彼らは、この疾患を持つ患者が慢性的な高血糖に苦しみ、それが最終的にミトコンドリアという細胞の発電所を損傷させる活性酸素種と呼ばれる有害な分子の蓄積につながることを知っていました。これを模倣するために、彼らはまず細胞を高濃度のグルコースに24時間さらしました。次に、急激な酸化ストレスを引き起こすために過酸化水素を投入し、体内での突然のダメージの急増をシミュレートしました。彼らの設計における重要なステップは、これまでの研究における一般的な混乱を排除することでした。彼らは、損傷が糖そのものによるものなのか、それとも単に高糖分がディッシュ内の液体の粘度を高め、圧力を高めることによるものなのかを知りたいと考えました。これをテストするために、彼らは対照群にマンニトールという物質を加え、糖を含まない状態で同じ物理的圧力を生み出しました。その結果、糖を含むグループの細胞は深刻な損傷を受けた一方で、圧力のみのグループは健康なまま維持されました。これにより、損傷は物理的な圧力ではなく、グルコースの代謝毒性によって引き起こされることが証明されました。

損傷モデルが確立されると、研究者たちは、このモデルが神経を保護する可能性のある薬を特定できるかどうかをテストしました。彼らは、ストレスを軽減したり細胞の健康を改善したりする潜在能力があることで知られる3つの化合物、N-アセチルシステイン、ミノサイクリン、およびメトホルミンを選択しました。細胞を損傷ストレスにさらす前に、彼らはこれらの薬のいずれかを用いて、細胞に2時間の先行投与を行いました。結果は明白でした。ストレスに圧倒された未処理の細胞は、損傷分子の激増とミトコンドリア機能の崩壊を示しました。対照的に、薬物処理された細胞は内部のバランスを維持していました。損傷分子は抑制され、エネルギー生成を行うミトコンドリアは安定していました。3つの薬剤すべてが、細胞の即時的な死を防ぐことに成功し、特にN-アセチルシステインは、細胞の内部環境を回復させる上で最も強い効果を示しました。

しかし、糖尿病性神経障害のモデルにとっての真のテストは、単に細胞を数時間生存させることではなく、神経の長い枝の緩慢で進行的な死を防げるかどうかです。患者において、この疾患は、神経の末端部分が最初に崩壊するという「後退型（dying-back）」のパターンを特徴としています。モデルがこれを捉えられるかどうかを確認するため、研究者たちは実験を21日間継続させました。薬物治療を受けていないグループでは、神経線維のネットワークが断片化して消失し始め、3週間で構造のほぼ70%を失いました。これは、人間の患者に見られる衰退を反映していました。しかし、細胞が早期の薬物投与を受けていたグループでは、神経ネットワークは強固で、接続されたまま維持されました。薬剤は単に細胞を生かしただけでなく、神経の複雑な構造を保存し、この疾患を定義づける長期的な変性を防いだのです。

本研究は、ヒトの生物学の言語を話すツールを提供することで、糖尿病性神経障害との戦いにおける重要な一歩を踏み出しました。研究者たちは、純粋なヒト感覚ニューロンを培養し、糖尿病特有の代謝ストレスを与え、その結果生じる損傷を高い精度で観察できることを実証しました。損傷が物理的なものではなく代謝的なものであることを証明し、さらに、このモデルが即時の細胞救済と長期的な構造保護の両方を検出できることを示すことで、彼らは実用可能なプラットフォームを作り上げました。このシステムにより、科学者は以前は不可能であったレベルの確信を持って、潜在的な治療法をスクリーニングすることが可能になります。これは、実験室での実験と、人間の疾患という複雑な現実との間の溝を埋めるものです。この研究は、適切なツールがあれば、神経損傷を停止または逆転させる治療法の探索は、単なる希望ではなく、ヒトの生物学に基づいた具体的な可能性であることを示唆しています。