ヒト多能性幹細胞からの腸管神経系系統の分化

腸管神経系(ENS)は、末梢神経系の最大の構成要素です。ENSには、消化管内に位置し、腸のほぼすべての機能を制御する4億個以上のニューロンが含まれています¹。ENSの発生と機能、および腸管性ニューロパチーにおけるその欠陥の分子的理解には、腸管ニューロンの信頼できる本物の供給源へのアクセスが必要です。ヒトの初代組織へのアクセスは限られており、動物モデルは多くの腸内ニューロパチーの主要な疾患表現型を再現できていません。ヒト多能性幹細胞(hPSC)技術は、特に一次供給源2,3,4,5,6,7から単離が困難な細胞種を無制限に供給する上で非常に有益であることが証明されています。ここでは、hPSCからENS培養物を得るための段階的かつ堅牢なin vitro法について詳しく説明します。これらのスケーラブルなhPSC由来培養物は、発生研究、疾患モデリング、ハイスループット薬物スクリーニングへの道を開き、再生医療のための移植可能な細胞を提供することができます。

腸管ニューロン系統は、胚形成中のENS発生経路をたどる神経堤(NC)細胞に由来します。胚では、NC細胞は折り畳み式の神経板の縁に沿って出現します。それらは増殖し、移動し、感覚ニューロン、シュワン細胞、メラノサイト、頭蓋顔面骨格、腸内ニューロン、グリア^8,9,10など、さまざまな細胞タイプを生じさせます。細胞の運命決定は、NC細胞が出現する前後軸に沿った明確な領域、すなわち、頭蓋NC、迷走神経NC、体幹NCおよび仙骨NCに依存する。ENSは迷走神経および仙骨のNC細胞から発生し、前者は腸の長さに沿って広範囲に移動し、腸にコロニーを形成するため、腸内ニューロンの集団を支配します¹¹。

PSCからのNC細胞の誘導には、一般に、デュアルSMAD阻害とWNT経路活性化の組み合わせが含まれます^12,13。最近まで、すべてのNC誘導プロトコルには、培養条件に血清やその他の動物製品添加物が含まれていました。化学的に未定義の媒体は、NC誘導の再現性を低下させるだけでなく、機構的な発生研究にも課題をもたらします。これらの課題を克服するために、Barberら¹⁴は、化学的に定義された培養条件を用いたNC誘導プロトコルを開発し、したがって、血清置換因子(例えば、KSR)^13,14に依存する代替方法よりも有利であった。これは、基礎培地の置換と、hPSCから腸管NC細胞を誘導するためにFattahiらによって最初に提示されたプロトコルの最適化によって得られました。この改良されたシステムは、ここで紹介するhPSC分化プロトコルの基礎です。これは、レチノイン酸(RA)に加えてBMP、FGF、WNT、TGFβシグナル伝達の正確な調節により、15日間で腸管神経堤(ENC)細胞を誘導することから始まります。次に、グリア細胞株由来神経栄養因子(GDNF)で細胞を処理することにより、ENS系統を導き出します。すべての培地組成物は化学的に定義されており、30〜40日以内に堅牢な腸内ニューロン培養物が得られます。

ここで述べた単層細胞培養系に加えて、自由浮遊胚様体^15,16を用いた代替のNC誘導法が開発されている。これらの培養物中の遊走性細胞は、迷走神経NCを表すサブセットでNCマーカーを発現することが示されています。初代腸組織との共培養は、これらの培養物の腸内NC前駆体を濃縮するために使用されてきました。これらの研究における培地組成物には、神経成長因子、NT3、脳由来神経栄養因子などのさまざまな因子の組み合わせが含まれています。この段階では、これらの要因が腸内ニューロン前駆体のコミットメントのアイデンティティにどのように影響するかは完全には明らかではありません。単分子膜と胚様体ベースの培養における腸内NC誘導を効率的に比較するには、より多くのデータが必要です。これらの戦略ではカルチャのレイアウトが異なるため、各方法の使用を検討し、特定のアプリケーションを念頭に置いて最適化する必要があります。

ここで提示されたプロトコルは再現性があり、異なるhPSC(誘導および胚)系統^8,14,16を用いて、我々および他の者によって成功裏に試験されている。