研究成果

ヒトiPS細胞から3次元的な心臓組織を作製し、致死性不整脈の複雑な特徴を培養下に再現することに成功


2017年10月25日


     川東正英 医学研究科博士課程学生、山下潤 iPS細胞研究所(CiRA=サイラ)教授、升本英利 医学部附属病院特定助教、芦原貴司 滋賀医科大学講師らの研究グループは、ヒトiPS細胞由来の3次元的心臓組織を作製し、不整脈の一種であるトルサード・ド・ポアント(TdP)を培養下に再現することに成功しました。

     本研究成果は、2017年10月20日に英国の科学誌「Nature Communications」でオンライン公開されました。

    研究者からのコメント

    左から、山下教授、升本特定助教、川東博士課程学生、芦原講師

     本研究は、「少しでも多くの生命現象を再現できる新しいin vitroモデルを作りたい」という思いをベースに、不整脈のスペシャリストである芦原先生にご指導いただきながら、「1回転でも2回転でも“さまよって”くれないかな」と幹細胞を用いた新しい不整脈モデル作りに取り組んだ研究です。最終的に、iPS細胞由来の心筋細胞と、組織同士の間を埋めて結合させる働きをもつ間葉系細胞を混合してシート状に培養するという簡便な方法で、最小限の3次元的心臓組織を作製することにより、従来の細胞レベルでは不可能であった病態モデル、すなわち心臓突然死の原因となる不整脈のTdPの種々の特徴を再現するモデルの構築に成功しました。この成果は、TdPのより詳細なメカニズムの解明や、様々な薬の毒性評価に役立つと期待されます。

    本研究成果のポイント

    • ヒトiPS細胞から分化誘導した心筋細胞および間葉系細胞を用いて、3次元的な心臓組織を作製した。
    • 同3次元的心臓組織を使って、致死性不整脈であるTdPの複雑な特徴を培養下に再現することに初めて成功した。
    • これまで不可能であった不整脈の発生を培養下に再現・解析したことにより、新しい安全性薬理試験や創薬研究のほか、難治性不整脈の治療法開発への応用が期待される。

    概要

     TdPは心臓突然死の原因となる不整脈の一種で、薬の副作用としてしばしば現れることがあります。TdPが副作用として現れたために、薬の開発が中断されたり、既に上市された薬が市場から回収されたりすることもあります。そのため、開発の早い段階で薬の毒性を評価できるヒトの心臓のモデルが求められていました。

     これまでiPS細胞から心筋の細胞を誘導し、利用する研究が行われてきました。しかし、単一の細胞では、TdPが起こる前段階であるQT延長(活動電位持続時間の延長)は再現できましたが、TdPの発生を再現することはできませんでした。そこで本研究グループは、3次元的な心臓組織を作製し組織レベルで病態を模倣することにより、TdPの発生を再現することを目指して研究に取り組みました。

     TdPなどの重篤な心室性不整脈を起こしやすい心筋症や心筋梗塞後の患者の心臓では、健康な人の心臓に比べて線維組織(組織間を満たして、それらを結合・支持する組織の一種)が多いことが知られています。そこで、ヒトiPS細胞由来の間葉系細胞と心筋細胞を混ぜてシート状にし、2種類の細胞が混ざり合いながら5-6細胞層になっている3次元的心臓組織を作製しました。

     この3次元的心臓組織に、細胞表面のイオンチャネルに作用してQT延長やTdPなどの心臓毒性を呈する試薬E-4031をいろいろな濃度で与えたところ、100ナノモーラー(濃度を表す単位)までは濃度に比例してQT延長に相当する現象が認められ、100ナノモーラー以上の濃度ではTdPに特徴的な、形が変化する多形性の頻脈波形を得ることができました。

     また、頻脈性不整脈においては、心臓の電気的な興奮が渦巻き状に旋回し、特にTdPにおいては、その旋回の中心が台風の目のように動き回る(“さまよう”)と考えられています。本研究グループは、ライブセルモーションイメージングシステム(映像を解析することで、細胞の動きを生きたまま観察する方法)を用いて細胞の動きを観察し、3次元的心臓組織にE-4031を投与した後実際に興奮波の旋回が起こり、さらにその中心が不規則に移動していることを確認しました。

    詳しい研究内容について

    書誌情報

    【DOI】 https://doi.org/10.1038/s41467-017-01125-y

    【KURENAIアクセスURL】 http://hdl.handle.net/2433/227712

    Masahide Kawatou, Hidetoshi Masumoto, Hiroyuki Fukushima, Gaku Morinaga, Ryuzo Sakata, Takashi Ashihara & Jun K. Yamashita (2017). Modelling Torsade de Pointes arrhythmias in vitro in 3D human iPS cell-engineered heart tissue. Nature Communications, 8, 1078.

    • 朝日新聞(10月24日 37面)、京都新聞(10月24日 37面)、産経新聞(10月24日 28面)、中日新聞(10月24日 37面)、日刊工業新聞(10月24日 3面)、日本経済新聞(10月24日 46面)、毎日新聞(10月24日夕刊 11面)および読売新聞(10月24日夕刊 10面)に掲載されました。

    ヒトiPS細胞から3次元的な心臓組織を作製し、致死性不整脈の複雑な特徴を培養下に再現することに成功
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