幹細胞による腎臓再生：概要

概要

背景：腎不全の究極の治療戦略として、腎臓透析に代わって腎臓再生が注目されています。 しかし、解剖学的合併症のために、腎臓は再生するのが最も難しい器官であると考えられている。 このような複雑な器官は、幹細胞から完全に再構築されたde novoであることを想像することは事実上不可能です。 それにもかかわらず、いくつかの研究グループがこの大きな挑戦を試みています。 要約：幹細胞からのde novo腎臓再生のための4つの主要な戦略があります。 これらの戦略は、の使用が含まれます：（i）脱細胞死体足場、（ii）胚盤胞脱complementation、（iii）xeno-embyroを成長させるためのネフローゼ性ニッチ、および（iv）自己組織化可能性。 これらの戦略はすべて臨床現場で適用可能であるかもしれないが、実質的な準備期間が必要であるように思われる。 キーメッセージ: 腎臓の再生には、倫理的な問題やキメラ構造の形成など、多くの未解決の問題が残っていますが、透析患者には希望があり、将来的には腎臓の再生が実

©2014S.Karger AG,Basel

はじめに

損傷がそれほど深刻ではなく、腎臓の構造がそのまま残っている場合、腎臓は再生する可能性を保持します。 しかし、長期透析で起こり得るように、腎臓への不可逆的な損傷の場合、自己再生の特性は完全に失われる。 したがって、透析患者に再生医療を適用するには、機能的な腎臓全体の開発が必要です。

機能的な全腎臓の面では、Chan et al. アフリカツメガエルの動物の帽子から移植可能な前腎を形成することにより、全体の機能的な腎ユニットを開発する最初の試みを報告しました。 この前腎様ユニットの移植は、少なくとも部分的に両側腎摘出オタマジャクシの浮腫を修正し、彼らは1ヶ月まで生存した。 我々の知る限りでは、この研究は移植可能な機能的な全腎臓ユニットが開発された唯一のものであるde novo。 しかし、この研究で形成された前腎構造は、ヒトにおける臨床応用にはあまりにも原始的であった。 それ以来、幹細胞から腎臓全体（哺乳類に適用可能）を再生するための多くの試みが世界中で行われてきた。

脱細胞死体足場を用いた全腎臓再建

脱細胞死体足場は、幹細胞が全臓器に分化するためのニッチを提供することが報告されている。 この戦略は、Ｏｔｔらによって使用された。 機能的な人工ラット心臓の開発に成功しました。 無傷の三次元（3D）ジオメトリと血管系を持つ全心臓足場は、新生児心臓細胞またはラット大動脈内皮細胞との再繁殖に続いて、死体心臓に洗剤と冠 注入された新生児心臓細胞は収縮性心筋を形成し，脳卒中機能を果たした。 この戦略は、成熟肝細胞および肺胞上皮細胞をそれぞれ使用して移植可能な肝臓および肺を開発するためにも採用されている。 腎臓再生のためにこの技術を使用するいくつかの試みがなされた。 これらの試みは、注入された多能性幹細胞が血管系および糸球体に局在し、その後尿細管への移動を伴うことを明らかにしたが、腎機能を獲得することは困難であった。 しかし、最近、上記の方法を使用して心臓および肺を生成することに成功した同じグループは、移植後に尿を産生する可能性のある腎臓全体の再生に成功 特に、多能性幹細胞の代わりに分化したヒト臍帯静脈内皮細胞を使用し、足場のみを選択的に使用することにより、右領域における腎および血管居住細胞の分化した転換のためのニッチを提供した。 注入された細胞がどのように分化し、血管系を有するネフロンに組織化されて尿を産生するかは明らかではないが、この技術はドナー器官の不足の解決策である可能性がある。

胚盤胞相補性

成熟したBリンパ球またはTリンパ球を持たない組換え活性化遺伝子2欠損マウスの胚盤胞への正常胚性幹（ES）細胞の注入は、ES細胞由来の成熟したBおよびT細胞を有する体細胞キメラを生成する。 この”はい盤胞相補性”システムは最近、臓器全体の再建に適用された。 小林他 最近、人工多能性幹（iPS）細胞の種間胚盤胞注入を介してマウスにおけるラット膵臓の再生に成功したことが報告されている。 ラットiPS細胞をPdxに注入しました-1-/- （膵臓発生障害）マウス胚盤胞とラットとマウスの新生児キメラは、ほぼ完全にiPS由来の膵臓を処理することがわかりました。 この成功は、臓器のための空の発達ニッチが提供されると、iPS細胞由来の細胞子孫がそのニッチを占有し、ニッチの欠落した内容を発達的に補うことができることを証明している。 これは、胚盤胞の相補性が異なる種を含む場合でも、ドナー iPS細胞由来の細胞のほぼ完全に構成される複雑な器官を形成する。 その研究グループは最近Pdxを生成しました-1-/- この技術を用いてより大きな膵臓を生成することに成功した。 これらの成功した知見は、人間規模の器官が理論的にデノボを生成することができることを示唆している。

この技術は最近、腎臓全体の再建に適用されました。 両方の腎臓を欠いているSall1nullマウスの胚盤胞にマウスiPS細胞を注入した後、メタネフロイのほとんどはiPS細胞由来の分化細胞から成っていた。 しかし，この操作後に家畜中の乳児を得ることができなかった理由は不明であり，このシステムでは腎臓再生のための別の問題があることを示唆している。 しかし，これらの知見は，はい盤胞相補性が腎臓の再生のための最も有望な戦略であることを強く示唆している。 これらのシステムは、血管系および神経系を生成することが不可能であるため、現時点では臨床的使用には利用できない。 さらに、胚盤胞をiPS細胞で操作する際の重要な倫理的問題は未解決のままである。 それにもかかわらず、この成功は、腎臓再生の最終的な臨床応用が発達プログラミングに依存しなければならないという理論的根拠を強調してい

Xeno胚の成長のためのNephrogenicニッチの使用（Organogenicニッチ法）

開発中の異生胚を”器官工場”として用いた機能性腎臓全体の再生が試みられている。 これは、器官形成のニッチに幹細胞を適用することによって、成長するxeno胚の開発プログラムを”借用”するという概念に基づいています。 後腎の発達の間に、後腎間充織は、最初に腎原性コードの尾部から形成され、グリア細胞株由来神経栄養因子（GDNF）を分泌する。 このプロセスは、尿管芽を生成するために近くのwolffian管を誘導します。 研究者らは、このプロセスに続いて出芽部位にGDNF発現ヒト間葉系幹細胞（HMSC）をマイクロインジェクションした。 レシピエントはいを全はい培養系で増殖させ，形成されたメタネフロスを臓器培養で発達させた。 ウイルスを含まない操作は、熱可逆性GDNFポリマーを使用して行うこともできる。 その結果，ドナー ｈｍｓｃは初歩的な後腎細胞に統合され，管状上皮細胞，間質細胞および糸球体上皮細胞に形態学的に分化した。 研究者は、その後、機能ネフロンを形成するためにレシピエントからの血管統合を可能にするために大網に開発されたメタネフロスを移植しました。 その結果，ヒトネフロンと宿主由来の血管系を含むｈｍｓｃ由来の”ネオキドニー”が生成された。 さらに，ネオキドニーはレシピエントの血清よりも尿素窒素とクレアチニンの濃度が高い尿を産生した。 この所見は，大網に発達したネオキドニーがレシピエントの血液をろ過することによって尿を産生することができることを示唆した。 さらに，ｈｍｓｃ由来のネオキドニーはヒトエリスロポエチンを分泌し，その産生は宿主動物における貧血の誘導によって刺激された。 この知見は，このシステムがエリスロポエチンレベルの正常な生理学的調節を維持することを示した。 しかし、現在のシステムは、尿管芽の誘導体を再構築しない可能性があります。 したがって、mscがニワトリ胚を用いて尿管芽前駆体に分化できるかどうかを決定するために、Pax2を発現するhmscをニワトリ尿管芽前駆体領域に注入した。 その結果、彼らは伸長wolffian管と尾状に移行し、wolffian管上皮に統合され、その後LIM1を発現した。 この知見は，局所ｘｅｎｏシグナルの影響下でｗｏｌｆｆｉａｎｄｃｕｌｔ細胞に分化できることを示した。 これらの結果は，後腎間充織と尿管芽の誘導体を再生するために適切な時間と場所にｈｍｓｃを移植することによって腎臓全体を再建することができることを示唆している。

ブタの腎臓はヒトの腎臓とほぼ同じ量であるため、我々は現在、より大きな動物（すなわち豚）で実験する可能性を検討しています。 発達したメタネフロスの最終的なサイズは、宿主胚の発達の初期段階で刻印されているようである。 この可能性は、より小さな宿主の大網に移植されたより大きな動物のメタネフロイが、通常の宿主腎臓のそれに比べてより大きな体積（直径および重 うまくいけば、このシステムは、ヒトでの使用に適したより大きな臓器の開発を容易にする（図10）。 1).

幹細胞の自己組織化能

多能性幹細胞は成熟細胞に分化し、組織や器官に自己組織化する可能性があることを示唆しており、多能性幹細胞を用いてin vitroで成熟細胞を生成する研究を行っている。 ES細胞からの3D ES細胞培養システムを使用して、下垂体腺、視覚キャップ、および腸組織構造に類似した3D組織の自律的形成が実証されている。 このアプローチは、実質的に治療再生のための器官形成の複雑さを減らすことができます。 このようなアプローチを用いて腎細胞を再生するには、ES細胞またはiPS細胞を最初の中間中胚葉に分化させ、次に腎前駆細胞に分化させ、続いていくつかのタイプの腎細胞に分化させなければならない。 腎臓の再生に関しては、Osafune et al. sall1を高度に発現する胚性マウス腎臓からの単一の多能性前駆細胞は、糸球体podocytesと腎尿細管上皮を含む腎細胞のいくつかのタイプに分化し、最終的に3D腎臓構造を再構築することができることを実証した。 別の最近の研究では、胚性腎臓からの単細胞懸濁液が再凝集して器官型腎構造を形成することが報告されている。 開発の間に、腎臓は中間中間のmesoderm、早い胚芽層の1から得られます。 その後、中間中胚葉細胞は腎前駆細胞に分化し、続いていくつかのタイプの腎細胞が続く。 したがって、ES細胞またはiPS細胞が最初に中間中胚葉に分化し、次に腎前駆細胞に分化することができれば、多能性幹細胞を用いてすべてのタイプの腎細胞を生成することが可能である。 長船他 成長因子の併用処理を用いてヒトｉＰＳＣを中間中胚葉細胞に分化させるための方法を確立した。 これらの細胞は中間中胚葉マーカー遺伝子を発現し、腎臓、生殖腺、副腎皮質などの中間中胚葉誘導体器官に見られるものを含む複数の細胞型に成熟する これらの研究は、これらの中間中胚葉細胞が腎前駆細胞に分化することができる場合、3D腎臓構造は、多能性幹細胞から構築され得ることを示唆し 正常に再生された腎臓とレシピエントの間の機能的な血管系を再生するための手段は不明のままである。 さらに、再生された腎臓のin vivo機能は不明である。 しかし、発生生物学のさらなる進歩は、これらの問題を解決し、in vitro全体の腎臓再生を可能にする可能性がある。

結論

この記事は、機能的な腎臓全体を再生するための幹細胞の使用に関する最新の調査をまとめたものです。 腎臓再生における多くの生物学的および技術的進歩にもかかわらず、完全に機能する腎臓の再建は手の届かないままであり、多くの問題はまだ未解 Xeno-metanephroiやxeno-blastocystsなどの異種組織の使用は倫理的な問題を提起しますが、Esc/ipscをin vitroで腎臓に確実に分化させる方法は完全に確立されていません。 尿およびエリスロポエチンを産生するために再生された腎組織の機能を確保するための方法は、依然として開発される必要がある。 しかし、幹細胞や発生生物学の継続的な努力は、うまくいけば、これらの問題を解決し、適切な腎機能を持つ腎臓全体を再建するための新しい治療戦略 このような取り組みが実現し、将来的には機能的な腎臓を再生することが可能になると考えています。

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