信州医誌，65⑶：143～152，2017

綜

説

多能性幹細胞を用いた心筋再生治療
門田

真＊

柴

祐司

信州大学医学部再生医科学教室
信州大学医学部附属病院循環器内科
信州大学バイオメディカル研究所

Cardiac Regeneration Using Pluripotent Stem Cells
Shin Kadota and Yuji Shiba
Regenerative Science and Medicine, Cardiovascular Medicine,
Institute for Biomedical Sciences, Shinshu University
Key words : cardiac regeneration, pluripotent stem cell, heart disease
心筋再生，多能性幹細胞，心疾患

Ⅰ はじめにテーテルインターベンション，バイパス手術）が主な治療法である。そのような虚血性心疾患においては，筆頭著者は平成15年に京都大学医学部を卒業後，循

数時間以上血流が途絶した虚血部位は不可逆的な障害

環器内科医として研修したのち，平成21年より京都大を受け，心筋細胞が壊死して瘢痕化する。つまり収縮学医学研究科に大学院生として入学し，主にヒト多能能のある心筋細胞の一部が死滅し，炎症細胞が浸潤し性幹細胞由来心筋細胞を用いた不整病態モデル作製をたのち，約２カ月で線維化した組織に置き換わってし行った1）。平成25年からは博士研究員として米国シアまう4）。そのため，全身へ血流を送り出すポンプとし

トル University of Washington に留学し，ヒト多能ての能力は減弱し，いわゆる心不全となる。上述の治

性幹細胞由来心筋細胞の小動物への移植後成熟化など療などにより，死亡率は改善してきたが3），不可逆的について研究した2）。平成28年12月より信州大学医学

な慢性心不全に対する根本的な治療法は現在のところ

部附属病院循環器内科，平成29年５月以降は医学部再心移植のみである。日本を含む先進国においては，今生医科学教室に所属し，移植応用に向けた研究を続け後も高齢化に伴って心不全患者の増加が見込まれる一ている。多能性幹細胞由来心筋細胞を用いた研究を約方5），ドナー不足が深刻であることからも，心移植に８年行っており，これまでの経験を踏まえて，この細代わる代替治療の開発が必要である。

胞を用いた治療応用実現に向けての現状と取り組むべ
き課題について述べたいと思う。
Ⅱ 心 疾 患現在，心疾患は世界での死亡原因の第１位であり3），

Ⅲ

心臓への細胞治療

今日までの心臓に対する細胞治療としては，骨髄由来細胞6）-8）や骨格筋芽細胞9），心筋幹細胞10）11）などが用いられている。いずれも患者個人から細胞が採取でき，日本でも悪性新生物に次いで第２位である（平成27年

臨床試験で治療後の安全性は示されたものの，治療効度厚生労働省人口動態統計）。その原因の多くは，動果が一定ではない12）。その主な理由は，それらの細胞

脈硬化などのために心臓への栄養血管である冠動脈のが心筋細胞への分化能が乏しく，移植した後に長期間血流が遮断されて起こる心筋梗塞や狭心症といった虚残存できないためである13）。特に，心筋幹細胞の一つ

血性心疾患であり，薬物治療および血行再建術（カと考えられていた C-kit 陽性細胞10）に関しては，心筋＊細胞への分化能がほとんどなく14），心機能改善効果は別刷請求先：門田真〒390-8621

松本市旭３-１-１

信州大学医学部再生医科学教室

E-mail : shinkadota@shinshu-u.ac.jp

No. 3, 2017

主に血管新生によるものと考えられている15）。ゼブラ
フィッシュや新生児マウスなどで認められる心筋再生
143

門田・柴

図１ サル心筋梗塞モデルに移植後，生着した iPS 細胞由来心筋細胞
MHC 型一致同種移植後の長期生着した iPS 細胞由来心筋細胞（GFP 陽性）。
スケールバー＝１mm．（Shiba, et al, Nature 538：388-391，2016より）が，幹細胞由来ではなく，心筋の分裂と増殖によるこ
16）
-18）

ことができる。したがって，多能性幹細胞由来心筋細，そもそも治療応用できるほ胞を用いることで，移植後の細胞生着による心筋再生

どの心筋への分化能を持った心筋幹細胞が生体内に存を目指すことが可能である 21）-23）。実際に，心筋梗塞

在しているのかも未だ不明である。つまり，これまで

後 の サ ル へ の 細 胞 移 植 実 験 に お い て ，108-109 個 と利用された細胞治療の効果は，いわゆる“パラクライ

いった大量の心筋細胞を移植したところ，３カ月後にン効果”と呼ばれる細胞が分泌する液性因子などによも移植細胞が生着し（図１），心機能を改善することとが明らかになり

19）るものと考えられる 。最近では，Cardiosphere とが示された24）25）。また，多能性幹細胞由来心筋細胞は呼ばれる増殖性を持った心臓由来細胞から分泌される移植宿主（ホスト）心筋と電気的に結合することによ“エクソソーム（直径30～100 nm の膜小胞体）”が心り，同期して収縮することが可能であることも示され

20）

筋梗塞後の心機能改善に効果があるとの報告もあり ，

24）
-28）
た（図２）
。そのため，我々を含めて，世界中でパラクライン効果を出す分子を特定して，薬剤開発へ

治療応用に向けた研究が進んでいる。

応用しようとする研究が進んでいる。
一方で，多能性幹細胞：ES 細胞（胚性幹細胞）とⅣ 多能性幹細胞由来心筋細胞の特徴

iPS 細胞（人工多能性幹細胞）は，文字通り胎盤を除これまでの研究で多能性幹細胞の培養液中に，心臓いたほぼ全ての種類の細胞へと分化する能力を持って発生に必要な種々の分子（アクチビンＡや BMP4，いるため，目的の細胞へと分化誘導することが可能で

Wnt 系の調整因子など）を加えることや 29）-33），心筋ある。また，未分化状態を維持したまま無限に増殖す細胞に特異的な代謝系である乳酸を心筋分化後に加える能力を持つがゆえに，必要な細胞を大量に作製するて心筋細胞以外を取り除くことなどにより34）35），90 ％

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多能性幹細胞を用いた心筋再生治療

図２ ホスト―グラフト間の電気的結合
サル心臓に生着した iPS 細胞由来心筋細胞からのカルシウム蛍光（上３波形）と心電図（最下波形）が４Hz（心拍数240回／分）の電気刺激まで同期していることより，ホスト - グラフト間の電気的結合が確認できる。スケールバー＝１秒。
（Shiba, et al, Nature 538：388-391，2016より）以上の効率で心筋細胞を作製することが可能となった。

らなる心筋パッチを冠動脈バイパス術と同時に移植しまた，バイオリアクターと呼ばれる３次元的な培養法たもので，報告のあった１例では長期経過は良好であを用いて，分化心筋細胞の高効率な大量培養も可能とるが，移植細胞から得られた治療効果は不明である48）。

なった36）37）。

一方で，ヒト iPS 細胞は患者から自己 iPS 細胞株の樹しかしながら，分化心筋細胞は成体心筋細胞と比較

臨床応用がなされた49）。２例目は患者から樹立した細電気的42）もしくは機械的刺激43），薬物の添加44），培養胞株に遺伝子変異が認められ，移植後の安全性を担保。ヒト由来細胞は長期培養

40）
41）

立が可能であることから，１例のみ眼科疾患においてやして未熟である

38）
39）

45）

条件の変更 などによってある程度成熟するが，成人できないために，他人由来の iPS 細胞を用いて臨床試

心筋細胞とは似て非なるものである。発現遺伝子解析

験が行われた。他人の細胞を用いた場合（アロ移植）

でも，成熟させた分化心筋細胞ですら胎児期の心筋とには免疫拒絶が大きな問題となり，免疫抑制剤をどの

46）同様であるとされる 。ただし，移植後生着した細胞ように使用するかが課題である。心筋細胞移植においは培養環境下と異なり生体内の環境因子により成熟化ても同様で，サルを用いたアロ移植において，MHCが促進される可能性があり，実際にサルの心臓に移植（主要組織適合遺伝子複合体）型を一致させた組み合

したヒト由来細胞は３カ月後には成体サル細胞と同様

わせでは，免疫抑制剤であるタクロリムスとプレドニ

24）の細胞径となった 。そこで，ラットが成長する間にゾロンの使用により移植後の細胞生存は良好であった

ヒト由来細胞も同様に成熟すると考え，新生児ラット

が，MHC 型が一致しない場合には２剤の免疫抑制でにヒト由来細胞を移植したが，生着ヒト細胞の成熟速は移植後の細胞生存は得られなかった 25）。世界中で度はラット由来細胞よりも遅かった2）。ラット由来細様々な MHC 型の iPS 細胞株が樹立されており，それ胞やマウス iPS 細胞由来細胞を用いた場合には成熟度

らをバンク化して移植医療へ応用しようとする研究がが１-３カ月でほぼホストと同様に成体型になること

進行中である。

から

2）
47）

，ヒト細胞がラット生体内で成熟が遅い理由

Ⅵ

は，種の違いによる細胞の成熟速度の違いが一つの原因だと考えらえる。
Ⅴ

A
臨床応用

解決すべき課題

均一な心筋細胞の分化誘導
上述した一般的な分化誘導法では心筋細胞を90 ％以上の効率で分化誘導できるが，全ての細胞が同じ電ヒト ES 細胞由来細胞を用いた臨床試験は，眼科・気生理学的な特徴を有しているとは言い切れないとこ

脳神経外科・糖尿病の領域で始まっており，心臓領域

ろがあり，作業心筋と呼ばれる心室筋のみへの純化法においてもすでに心筋前駆細胞を用いた臨床研究がフの開発が必要である。また，心臓組織のうち心房筋50），

ランスで開始されている（ClinicalTrials.gov）。ただ

プルキンエ細胞51），洞房結節52），心外膜系53）への部位

し，心筋前駆細胞を用いた治療は４×106 個の細胞か特異的な分化誘導法が報告されているが，房室結節のNo. 3, 2017

145

門田・柴

図３ 移植後不整脈
サル心臓に iPS 細胞由来心筋細胞を移植した後に出現した心室性不整脈の心電図波形（上）と持続性不整脈の出現時間（下）。移植後14～28日後をピークに全例で出現している。スケール
バー＝１秒。（Shiba, et al, Nature 538：388-391，2016より）分化誘導ではペースメーカー細胞への分化効率が50 ％52）

小動物への移植ではヒト由来細胞からの活動電位がマ程度と低い 。 今後効率を上げてペースメーカー

スクされてしまう。他方，サルやブタといった大動物

細胞を純化できる培養法が開発できれば，徐脈性不整では心拍数がヒトに近いため，不整脈が検出しやすい。

脈に対する機械式ペースメーカーに代わる細胞治療

サルの同種移植となると，異種移植よりもさらに不整（バイオペースメーカー）が可能となる。

脈検出が容易となる。不整脈発生の原因としては分化B

移植後不整脈心筋細胞の自動能（ペースメーカー機能）の残存や心ヒト由来細胞の小動物（マウス，ラット，モルモッ

筋の未熟性などが考えられ，我々も不整脈の出現メカ

ト）への移植においては不整脈の出現は認められなニズムを解明する研究を進めている。

かったが，大動物への移植後には一過性に心室性の不C

24）

整脈が出現した 。同様に，サル由来細胞をサルに移
25）

移植方法
これまで報告されてきた多能性幹細胞由来心筋細胞

植しても一過性の不整脈が生じた（図３） 。ヒトでの移植方法には，大きく２つの方法がある。注射針なは60-100/分である心拍数が，モルモットは200/分，

どによる注入法と，シート状などにした組織接着法でラットは400/分，マウスは600/分と大きく異なるため，ある。注入法は移植する前に細胞をばらす必要があり，

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多能性幹細胞を用いた心筋再生治療

組織化された細胞の特徴を壊してしまうが，実際にはにより近い心筋組織を作製できることが分かってい移植した細胞は心臓内でホストとの間に電気的結合をる64）。しかしながら，血管を形成するような血管内皮作り，かつ細胞が増殖することでグラフトの組織を維細胞などを混合して移植した場合に，グラフト由来の

持している

24）
25）
27）

。また，速度は遅いものの，移植後新たな血管が新生されて，それがホスト由来の血管との細胞がホスト心臓内で成熟化していることが分かっ

うまく結合しているかは不明である58）65）。サルにヒトている2）24）。組織接着法を用いた場合では，熱感受性由来細胞を移植した例でも， 約70 ％の心筋純度での細胞外マトリックスなどを用いて，細胞間の結合なあったにも関わらず長期残存したグラフト細胞はどが保持されたまま心筋の外膜などに組織を圧着させ99 ％が心筋細胞であった 24）。線維芽細胞などの非心ることができる54）。この方法では，移植細胞由来の液筋細胞から細胞外マトリックスを形成する成分などが性因子などによるパラクライン効果で心筋虚血部位で分泌され，それらが移植後の生着率上昇に寄与する可の血管新生などが進み，心機能改善効果があると考え能性もある。移植後の心機能改善のためには，心筋細

られる

55）
-58）

。前述の自己由来細胞と同様に，パラク
59）

胞のみを純化して移植したのでよいのか，非心筋細胞との混合が望ましいかどうかは今後検討する必要があ

ライン効果を示す物質の検索も進んでいる 。
同じヒト由来細胞をラット心臓に移植して，注入法

る。

と組織接着法を比較した研究では，注入法により移植

F

治療の時期

した細胞がホスト－グラフト間に電気的結合を示した

これまでの動物実験では心筋梗塞発症後，急性期ののに対して，組織接着法により心外膜に細胞パッチを細胞移植においては収縮能が改善するのに対して，慢張り付けたところ，ホスト－グラフト間には電気的な性期モデルではあまり効果が示されていない。特にラッ28）結合を全く認めなかった 。そのため，組織接着法はトやモルモットのモデルにおいては，急性心筋梗塞作

催不整脈作用を心配する必要がなく，安全であるとも

製１カ月後では心機能の改善が見られなかった 66）67）。

いえる。いずれの移植方法が安全で長期的な心機能改原因としては，ホストとグラフトの間に電気的な結合

善効果をもたらすかは，今後も研究を続ける必要があができにくく，グラフトがホストから隔離された状態る。

で残るために，収縮能改善への寄与が少ないことが考D移植後の生着率の向上えられる。しかしながら，ブタの心筋梗塞モデルでは注入法で細胞移植した場合に，約90 ％の細胞が生４週間後の細胞シート移植で心機能改善効果が認めら

60）

着せず早期に死滅してしまうことが分かっており ，れている55）ことから，大動物と小動物で細胞治療の効

残存した心筋が増殖することでグラフト組織を形成し果が出るタイミングが違う可能性もある。臨床においている。移植細胞の分化誘導後の日齢で移植後のグラて急性期に細胞移植を行うことは現実的には難しく，

フト面積を比較した研究では，分化誘導後20日前後の１-２週間後の亜急性期もしくは１カ月後以降の慢性細胞を移植した時にグラフト面積が最も大きく，より期となることが考えらえるため，さらなる大動物を用未熟な細胞を入れたとしても面積が大きくなるわけでいた慢性期モデルでの検討が必要である。

はなかった

61）
62）

。現在我々は注入法において，細胞を回収する約１日前に43 ℃で30分～１時間の熱ショッ

Ⅶ おわりにク を 与 え ， 細 胞 死 を 抑 制 す る 因 子（ Pro-survival

日本では iPS 細胞を用いた臨床研究について報道さ

cocktail）と，細胞外基底膜が主成分のマトリゲルをれているが，それ以前からアメリカなどでは ES 細胞

移植直前に細胞に混ぜて投与することで，移植後の細由来細胞を使った臨床試験が始まっていた。それらの63）

胞生着率の向上を図っている 。マトリゲルはマウス細胞を使ったいわゆる“再生医療”はいまだ標準的な肉腫由来のラミニン，コラーゲンなどの動物由来成分

治療法には達していないが，今後一般的な治療法になを含んだ混合物であるため，将来的な移植応用においる可能性がある。心臓領域においても，上述した種々ては成分が分かっている合成化合物などに代替するこの課題を解決して，ヒト多能性幹細胞由来心筋細胞移とが望ましいと考えられる。

植が心筋再生治療として応用されることを目指してこ

E

非心筋細胞との混合れからも研究を続けたいと思う。

培養環境下においては，線維芽細胞，血管内皮細胞や平滑筋細胞などを心筋細胞と混合することで，臓器No. 3, 2017

147

門田・柴

文

献

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（Ｈ 29. 4. 10 受稿）

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