Magdalena Zernicka-Goetz は、カリフォルニア工科大学の生物学および生物工学のブレン教授であり、ケンブリッジ大学の幹細胞生物学および開発の教授です。
このインタビューでは、幹細胞を使用して、皿の中に脳や鼓動する心臓を備えた胚のような構造を作成することを可能にする技術の最近の進歩について説明します. これらの「合成」胚がどのように作られ、受精卵から成長した天然の胚との類似性の限界を探ります。 彼女はまた、妊娠が失敗する理由、臓器をゼロから構築する方法、さらには老化した体を若返らせる方法を理解するのにどのように役立つかについても説明しています. しかしまず、彼女は、これらの胚モデルを皿の中でこれまで以上に長く成長させることを可能にした重要な洞察を明らかにします.それは、体を構成する細胞は単独ではできないということです.
人工胚とは何ですか? また、何に使用できますか?
FUTURE: まず、人工胚とは何か説明していただけますか?
MAGDALENA ZERNICKA-GOETZ: 正直なところ、私はこの用語があまり好きではありません。 これは何からできているのだろう？
しかし、私たちはそれを使用します それはショートカットです ビルディングブロックから胚のような構造を合成したと言えます。 私たちの研究室では、XNUMX 種類の構成要素を使用しています。 XNUMX つのビルディング ブロックは、成人の体を構築するすべての種類の細胞の幹細胞を反映しています。 胚性幹細胞と呼ばれています。 他の XNUMX つのビルディング ブロックは、いわゆる胚体外構造の幹細胞です。 その中でも有名なのがプラセンタです。 これは、赤ちゃんを養う母親の体と赤ちゃんをつなぐものです。 これらの胚体外構造の XNUMX つ目はあまり有名ではありませんが、卵黄嚢と呼ばれています。 それは、胚が成長する一種の袋です。
大まかに言えば、人工胚モデルでやりたいことは何ですか?
たとえば、これらのモデルを使用して、発生のいくつかの段階で重要な特定の遺伝子の機能を理解できることを示しました。 たとえば、脳と目の発達に重要な遺伝子があることがわかっています。 しかし、最初から最後までプロセス全体をそれほど正確に追跡することはできないため、実際のマウス胚モデルからどのように機能するかは正確にはわかりません. 胚性幹細胞を使ってその遺伝子を除去し、この遺伝子が重要な発達段階とその目的について詳しく調べることができます。 これらの遺伝子をさまざまな時点で排除し、結果を確認することもできます。
私たちのように成長したり発展したりすることはできませんが、現時点では完全な謎である生命の断片への重要な洞察を与えることができます.
特定の環境や特定の代謝産物の役割を調べることもできます。 たとえば、妊娠中の女性は、葉酸が神経の発達を助けるため、葉酸を摂取することをお勧めします. しかし、どの段階でそれが重要なのか、これは実際に何をするのでしょうか?
これらのモデルが同じ初期発達段階をシミュレートすることを考えると、なぜ非常に多くの妊娠が非常に早期に終了するのかをよりよく理解する機会はありますか?
そのとおり。 妊娠の大半は、妊娠していることにさえ気付いていないときに失敗することを認識することは非常に重要です. 適切なタイミングで達成しなければならない主要なマイルストーンがあるため、開発の最初の XNUMX 週間は非常に不安定です。
まず、私が言及したこれら 15 つの組織 (XNUMX つは胚体外、XNUMX つは胚) の幹細胞を生成する必要があります。 正しい方法でそれらを作成する必要があり、それらの組織は互いに相互作用する必要があります. しかし、時間も重要です。 たとえば、妊娠を XNUMX か月まで延長することはできません。 これは、特定の時点で特定のマイルストーンを達成する必要があることを示しています。
のみ XNUMX 種類の幹細胞が実際に体を作りますが、他の XNUMX 種類は母と父のように導く力です。
したがって、これらの発達のマイルストーンが正しく発生していない場合、または発生が遅れている場合、または発生が早すぎる場合、胚は流産します。 または、これらの XNUMX 種類の細胞間の通信が異常であるか、まったく行われていない場合、再び、胚は流産します。 そのため、多くの妊娠が失敗します。 これらのモデルを使って、母親の体の中で赤ちゃんを守る方法を調べることができます。 それが希望であり、私にとって非常に重要な動機です。
強調しておきたいのは、今私たちが話しているのは合成マウス胚モデルについてです。 しかし明らかに、これはヒト胚の XNUMX 次元モデルを構築するための一種のプロトタイプですが、それでも実際にはヒト胚ではありません。 私たちのように成長したり発展したりすることはできませんが、現時点では完全な謎である生命の断片への重要な洞察を与えることができます.
では、人工のヒト胚モデルや、体外でのヒト胚の培養はどこにあるのでしょうか?
そのため、ヒト胚モデルはまだありません。 私の知る限り、ヒト幹細胞から構築された完全な胚様構造はまだありません. 私たちが幹細胞由来のマウス胚モデルの構築を開始したとき、なぜヒト幹細胞でそれを行わないのかと多くの人が尋ねました. 私の同僚の多くは、ヒト幹細胞を使用して同様のモデルを構築しようとしていると確信しています. しかし、それは些細なことではありません。 まず、ヒト幹細胞とマウス幹細胞は同じようには発達しません。 文化の中で維持するには、さまざまな条件が必要です。 その方法を確実に理解するために、マウス モデルはプロトタイプになります。
それでも、多くの人が、 私たちを含む、培養中のヒト幹細胞を使用して、胚の三次元組織または断片を構築します。 たとえば、羊膜腔（羊水を含む閉じた袋）がどのように形成されるかを理解するためにそれらを使用します。 問題が発生した場合、その開発を修正することはできますか?
しかし、それは子宮壁への着床の初期段階のモデルであるヒト胚の断片にすぎません。 現在、ヒトの胚を培養できるのは、いわゆる 14 日目までです。 越えられない限界.
実験室での胚様構造の作成
それは魅力的です。 では、マウスの人工胚はどのように作るのでしょうか?
私たちの研究室でこれらの合成胚モデルを構築する方法は、ちょっとユニークです。 私たちは、胚が自然界でどのように自らを構築するかを理解することでこのアプローチを開発し、胚から得た教訓を利用して、実験室のペトリ皿でそのプロセスを模倣しました。
そのため、XNUMX種類の幹細胞を使用しています。 私たちはそれらを適切な割合でまとめ、適切な環境を作り、XNUMX種類の細胞とそれらから生じる細胞が幸せになり、お互いにコミュニケーションしたいと考えています.
XNUMX つではなく XNUMX 種類の細胞を使用することが重要です。通常、発生は XNUMX 種類の細胞間の相互作用によって行われるためです。 それだけ XNUMX 種類の幹細胞が実際に体を作りますが、他の XNUMX 種類は母と父のように導く力です。
前にそのように説明したことはありませんが、このように考えることができます。なぜなら、これらの他の XNUMX 種類の細胞は指示と信号情報を提供するだけでなく、胚に栄養を与えるための家のようなものも構築するからです。
少し巻き戻してみましょう。 この分野は、ここ数年で大きな進歩を遂げました。 この胚モデルの構築に向けた進歩に関して、本当に重要なランドマークは何か教えていただけますか?
よく知られているXNUMXつの事実を言わなければなりません。 第一に、胚性幹細胞は培養で維持され、培養で無期限に増殖できるということです。 これは、ノーベル賞を受賞したマーティン・エバンスの発見でした。 それらの細胞のいくつかを採取して胚と一緒にすると、成体組織に寄与できることがわかっていました.
ですから、幹細胞には魔法のような可能性があることがわかっていました。 しかし、私たちが知らなかったのは、約 10 年前に突破口となったのは、宿主の胚を使わずに、それらの細胞だけから胚を作ることができるかどうかということでした。 もちろんいきなりではなく、一歩一歩でした。 しかし、私たちがそれを行う方法を学んだ方法は、最初に胚がどのようにそれを行うかを観察することでした.
胚移植の段階と呼ばれる非常に初期の発生段階がありますが、特に人間についてはほとんどわかっていません。 この段階の前の開発の最初の数日間は、かなりうまくいっています。 私が話した XNUMX 種類の細胞は、最初の数日で発生します。
[これらの]モデルは、胚発生を理解するために重要であるだけでなく、成体器官を構築する特定の組織の発生を理解するためにも重要です。 私たちは、満たされなければならない基本的なルールを特定しようとしています。
これらの XNUMX 種類の細胞が形成されると、それらは互いに話し始めます。 しかし、これは着床と呼ばれるプロセス中に胚が母親の体に侵入する時期であるため、彼らがどのようにコミュニケーションするかはよく知られていませんでした. このプロセスを in vitro で模倣できなかったため、観察できませんでした。 したがって、私たちの最初のステップは、本物の胚、マウス、およびヒトをその段階まで培養する方法を開発することでした。 研究所で。
それが達成できるとすぐに、細胞を追跡し、ラベルを付け、追跡して、細胞が増殖し、互いに相互作用する時間を特定することができました. これらのイベントを追跡したとき、XNUMX つの組織を代表する幹細胞でこれらのイベントを模倣できることを十分に知っていることに気付きました。
それは旅であり、最初の最も重要なマイルストーンは、胚がどのようにそれを行うかを解明することでした. 特に、胚がXNUMXつの胚体外組織から指示を受けることを認識しています。 ここのところ、 胚細胞に胚外細胞のさまざまな組み合わせを追加することにより、XNUMXつのモデルを構築しました。 の 最初のモデル 2014年に発表され、最後のモデルは 公開されたばかり.
この次のステップについて教えてください。 この新しいモデルでは、胚がどこまで進化し、何が見えるかという点で何が達成されましたか? そして、胚に発達する受精卵と比較して、どのように見えるでしょうか?
最後のモデルは、頭、心臓、および体節 (体軸に沿ったセグメント) が形成される瞬間まで発達します。 これらの胚のような構造がこれらのマイルストーンを達成するのに十分であるかどうか確信が持てなかったので、これは信じられないほどです. 脳のすべての前駆細胞がそこにあり、心臓の構造が拍動し、血液を送り出します。
胚組織は若い組織であるため、初期胚からの教訓は、組織を若返らせる方法も教えてくれます。
では、それらは自然の胚にどれほど似ているのでしょうか? それらは非常に似ていますが、同一ではありません。 これは非常に興味深いことです。ほぼ同一のモデルとそうでないモデルの開発をたどって、特定の種類の組織や臓器を完全なものにするために満たす必要がある基本原則を理解できるからです。
そのため、これらのモデルは胚発生を理解するために重要であるだけでなく、成体器官を構築する特定の組織の発生を理解するためにも重要です。 私たちは、これらのイベントが適切に達成されるために満たされなければならない基本的なルールを特定しようとしています. 何が起こっているのかを理解し始めることができます。胚がそれ自体を構築できるようにしているので、そのプロセスのメカニズムと、いつうまくいかないかを理解することができます.
人工胚が導く可能性がある場所
個人的にこれらのモデルでやりたいことについてもう少し教えてください。 対処したい特定の質問や課題はありますか?
私の主な関心事は XNUMX つあります。 第一は、生命がどのように作られているかを理解することです。 私はこのモデルを使って 生命の神秘的な段階を 真に理解しようと試みました 細胞が初めて相互に通信して 私たち自身のような複雑なものを構築するときですしかし、これは妊娠の大半が失敗する時期でもあります。 これを理解できれば、将来的には失敗を未然に防ぐことができます。 これが私たちの希望です。
家を建てるのと少し似ていますよね？ 構成要素に頼って自分自身を整理する必要はありません。
胚組織は若い組織であるため、初期胚からの教訓は、組織を若返らせる方法も教えてくれます。 ですから、私たちの臓器や組織の構築について教えてくれます。 うまくいけば、これらからの知識 研究は段階的に行われ、臓器の移植や成人の臓器の修復に使用されますが、失敗した場合.
これらのモデルの開発と使用を妨げている、技術的または私たちの科学的理解における既存の障害はありますか?
ええ、主に胚のような構造を作る技術についてです。 これら XNUMX 種類の幹細胞を組み合わせると、それらの間の力に依存して適切な胚が作成されます。 うまくいくこともあれば、うまくいかないこともあります。 この構造の多様性が見られます。 したがって、これらのイベントをより適切に制御するためのツールを開発する必要があります。
たとえば、私が現在参加しているこの会議では、同僚とオプトジェネティクスについて議論することに時間を費やしました。 光を使って、細胞の特定の反応を刺激することができます。 では、これらの光遺伝学的アプローチを使用して、自己組織化のプロセスを導くことができるでしょうか?
どのような方法でプロセスをガイドしますか?
特定のイベントを設計する。 たとえば、損傷した組織や器官を置き換えることができる組織や器官を作成することを考えるとき、それを効率的に行うには、それらをどのように設計できるかを理解する必要があります. 家を建てるのと少し似ていますよね？ 構成要素に頼って自分自身を整理する必要はありません。 または、建物が完璧ではない場合、それは受け入れられません。 品質管理を行うために、構築プロセスをガイドしたいと考えています。
ですから、私たちはまだエンジニアや建築家になることができません。 代わりに、胚が自分自身を構築し、このプロセスを理解し、それに従い、それを助けたり混乱させたりするための環境を作成しようとしています. しかし、私たちはまだ組織工学の段階にありません。 組織工学は非常に重要であり、臓器置換の未来となるでしょう。 非常に多くの患者が肝移植やその他の機能不全の臓器を待っていますが、これは本当に悲劇的です。 私たちの研究から得られた知識を使って、それらの器官を作り、修復することができれば、それは絶対に素晴らしいことです. 私たちが行っていること、そして私の同僚の多くが行っていること、いわゆる組織の生物工学は、将来的にどこへ向かうのかです.
30年2022月XNUMX日に投稿
テクノロジー、イノベーション、そして未来。
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