培養ミルクと乳腺上皮細胞の培養モデル
小

謙＊

林

（北海道大学 大学院農学研究院 細胞組織生物学研究室，〒060-8589 北海道札幌市北区北 9 条西 9 丁目）

Cell-based milk and a culture model using mammary epithelial cells
Ken Kobayashi（Laboratory of Cell and Tissue Biology, Research Faculty of Agriculture, Hokkaido University,
North 9, West 9, Sapporo, Japan, 060-8589）

要旨

近年，新たな食料生産の方法として細胞農業が着目されている。細胞農業とは動物や植物から得られる収穫物を細胞培養によって生産する方法であり，必要なものは細胞と培養液，無菌管理された培養設備である。細胞農業の代表例として培養肉がある。培養肉が家畜から採取した筋細胞を増殖させることで生産することは広く一般的に知られている。しかし，培養ミルクをどのように生産するかを知る人は少ない。培養ミルクの生産は哺乳動物の母体から採取した乳腺上皮細胞を用いて行う。乳腺上皮細胞とは泌乳期の乳腺に存在する乳分泌細胞であり，ミルク成分の大半を合成，分泌する細胞である。この乳腺上皮細胞を培養下で増殖させ，ミルク成分を培地中に分泌するように誘導し，培養ミルクを生産する。本稿では培養ミルクの現状と乳腺上皮細胞に関する学術的知見を紹介した後，培養ミルク生産に関する技術的な原理と今後の課題を説明する。

細胞農業と聞くと最新技術に感じられるが，実は1．細胞農業と培養ミルク

その歴史は長く，私たちは既に細胞培養によって生

1–1．細胞農業による食料生産

産する技術の恩恵を受けている。代表的な例として

近年，新たな食料生産の方法として細胞農業が着

糖尿病治療薬のインスリンが挙げられる。インスリ

目されている。細胞農業とは，動物や植物から得らンとは膵臓のランゲルハンス氏島にある B 細胞がれる収穫物を細胞培養によって生産する方法であ合成・分泌するホルモンであり，糖尿病治療薬に用り，必要なものは細胞と培養液，無菌管理された培いるインスリンは 40 年ほど前までブタやウシの膵養設備である。従来の農業とは異なり，広大な畑や臓から抽出されていた。しかし，遺伝子組換え技術

牧草地を必要とせず，排泄物や温室効果ガスの排出の発展により細菌や酵母などの微生物にインスリンも無い。また，気温や降水量の影響を受けず，植物を産生させることが可能となり，1982 年には微生や動物の成長を待つ必要が無い。管理された無菌設物由来のヒトインスリン製剤の販売が開始された。

備で行うため，農薬や抗生物質も必要としない。さ抗がん剤などの製造にも同様の技術は利用されておらに，場所を選ばないため，宇宙環境での食料生産

り，バイオ医薬品として現代医療に幅広く貢献して方法としても期待されている。

いる。また，チーズ製造に用いるレンネットも細胞＊ E-mail：kkobaya@agr.hokudai.ac.jp

農業の技術で製造されている。レンネットとは本― 24 ―

乳業

技術

来，子牛や仔山羊の胃から分泌される酵素の混合物であり，チーズ製造の際に生乳中のカゼインを凝集させるために使用されるが，これも 1990 年代には
遺伝子組換えした微生物による生産が始まり，現在ではレンネット市場の半分ほどのシェアを占めるに至っている。
上述のように，私たちは細胞農業に基づく生産物の恩恵を既に受けている。一方で細胞農業の技術で生産した穀物，肉，ミルクなどを食べたことがある
図１

人はほとんどいない。なぜなら，少ない生産量でも乳牛と細胞農業による乳生産

高価格で販売できるバイオ医薬品やレンネットと異なり，これらの一般的な食料は安価で大量に生産し。一つ方法を大別すると 2 つに分けられる（図 1）

なければならならず，そのための技術力が無かった

は，インスリンやレンネットと同様に遺伝子組換えためである。しかし，ここ数年の技術進歩により製した微生物による生産方法である。生産したい乳タ

造コストを抑えることができるようになり，シンガ

ンパク質の遺伝子を微生物に導入し，微生物を培養

ポールやアメリカでは培養肉が販売される段階に到しながら乳タンパク質を合成させ，培養物から乳タ達した。さらに，現時点で懸念している世界的な食ンパク質を抽出・精製する。そのため，遺伝子導入

糧不足，反芻家畜が排出する温暖化ガスによる気候

した特定のミルク成分のみをつくることができる。

変動，家畜の飼育と動物愛護の両立，家畜への抗生例えば，代表的な乳タンパク質であるカゼイン，抗物質投与による薬剤耐性菌の発生リスクなど，これ菌タンパク質のラクトフェリンなどである。もう一らの諸問題を解決する方策として細胞農業が期待さつは，哺乳動物の母体で実際にミルクをつくっていれており，今後も細胞培養技術の向上に伴って細胞る細胞（乳腺上皮細胞）を用いる方法である。この

農業がますます拡大することが予想される。

方法の場合，乳腺上皮細胞が生体同様に多種多様なミルク成分（カゼイン，ホエイタンパク質，乳脂1-2．細胞農業と培養ミルク

質，乳糖，オリゴ糖）を合成・分泌するため，培養

近年，培養肉を生産する設備や培養肉を実際に食

ミルクの組成は本物のミルクとほとんど変わらないする映像をテレビやネットニュースで見る機会が増（他細胞が産生する免疫グロブリンやアルブミンなえ，多くの人にとって培養肉がつくられる過程をイ

どを除く）。

メージすることが容易になった。しかし，培養ミル

遺伝子組換え微生物による製造方法は既存のバイ

クがどのようにつくられるのかをイメージできる人

オ医薬品の技術と設備を利用することができるたは依然として少ない。なぜなら，現時点において培め，培養ミルク生産に向けての技術的ハードルは低養ミルクに関する取り組みは日本国内でほとんど行い。現在，ImaginDairy（イスラエル），Helaina（ア

われておらず，その製造方法や開発プロセスをメメリカ），Formo（ドイツ）などの企業が培養ミル

ディアで紹介する機会が極めて少ないからである。

クとして乳タンパク質の製造を進めている。一方，また，世界的に見ても培養ミルクの製造は培養肉と乳腺上皮細胞を用いた培養ミルクも Turtletree Labs

比べて大幅に遅れており，培養ミルクの製造工程を（シンガポール），Opalia（カナダ），および Biomilq

一般公開する企業もほとんどないため，関係者以外（アメリカ）などの企業が開発を進めている。公にが得られる培養ミルクの情報は限定的である。

はなっていないが，他にも数多くのベンチャー企業や大学研究室が培養ミルク生産に向けた研究を進め

現時点で開発が進められている培養ミルクの製造

Vol. 73. 2023

― 25 ―

ている。しかし，筆者が知る限りにおいて乳腺上皮細胞を用いた培養ミルクは製造段階に至っていない。
前述したように，哺乳動物の母体が産するミルクは多種多様な成分の混合液である。そのため，遺伝
子組換え微生物によって産生される乳タンパク質
は，本質的な意味で培養ミルクとは言えないかもしれない。一方，乳腺上皮細胞を用いた方法では主要なミルク成分が一通り生産されるため，紛れもない
培養ミルクと言える。そこで以降の本稿では，乳腺上皮細胞による培養ミルクの生産方法に着目する。
まず生体内で乳腺上皮細胞がどのようにミルク成分
を合成・分泌しているかを基礎研究による学術的知見に基づいて紹介し，その後に培養ミルクを製造す

図２

乳腺胞の乳腺上皮細胞

るための原理と今後の課題を説明する。
妊娠する前には存在しない。妊娠した後，乳腺内の2．乳腺上皮細胞がミルク成分を産生するメ

乳管末端に存在する細胞が分裂を繰り返し，乳腺胞カニズムの元となる細胞が増殖する1）。妊娠中期から後期に2-1．乳腺胞の乳腺上皮細胞

かけて増殖した乳腺上皮細胞の一部が乳管から突出哺乳類の母体は分娩後にミルクの分泌を開始し，するように移動し，未熟な乳腺胞を形成する。妊娠

ミルクを与えながら子を育てる。そのため，ミルク末期になると乳腺胞の乳腺上皮細胞はミルク成分のには子の成長に必要な栄養素である乳タンパク質，合成・分泌に必要な能力を獲得し，同時に乳腺胞の脂質，乳糖などが豊富に含まれている。これらのミ内腔構造を発達させる。分娩後，乳腺胞の乳腺上皮

ルク成分の大半を合成・分泌する細胞が乳腺実質に細胞は本格的にミルク成分の合成を開始し，合成し存在する乳腺胞の乳腺上皮細胞である。乳腺胞とはたミルク成分を乳腺胞腔へと分泌する。この合成と妊娠後期に形成される袋状の構造物であり，その内分泌は，授乳刺激と乳汁排出が定期的に行われてい側には乳腺上皮細胞が一層に敷き詰められているる間は順調に続く。しかし，子が離乳して授乳刺激（図 2）。乳腺上皮細胞は乳腺胞を取り囲む血液からと乳汁排出が行われなくなると，乳腺上皮細胞のミ供給される栄養素を材料としてミルク成分を合成

ルク産生能力は徐々に低下し，やがて過度に蓄積しし，乳腺胞の内腔へと分泌する。分泌されたミルク

たミルク成分によって乳腺上皮細胞の細胞死が引き

成分は授乳刺激に応じて乳腺胞内腔から乳管に排出起こされる2）。その結果として乳腺胞とその構成細され，乳管を通って乳頭口に届けられ，子が授乳で胞である乳腺上皮細胞は消失し，乳腺内の構造は妊きるようになる。したがって，細胞レベルで捉える

娠前の状態に戻る。したがって，乳腺胞の乳腺上皮と，ミルクとは乳腺上皮細胞の分泌液となる。

細胞とは，子にミルクを供給する時期だけに存在するようにプログラムされた細胞と言える。

2-2．ミルク産生のために存在する乳腺胞の乳腺上2-3．乳腺上皮細胞におけるシステマチックなミル

皮細胞

ク産生経路

乳腺胞の乳腺上皮細胞は子にミルクを供給する期

乳腺胞の乳腺上皮細胞はミルク成分を効率的に合間に限定して活躍する細胞であり，哺乳類の母体が― 26 ―

乳

業

技

術

図３

乳腺上皮細胞におけるミルク産生経路とタイトジャンクション

成・分泌するための特別な経路をもっている3–5）（図養素吸収）⇒製造ライン（ミルク成分の合成）⇒製

3）。まず，乳腺上皮細胞は血管に面した側底部側品の梱包（分泌小胞・脂肪滴融合）⇒製品の出荷の細胞膜からアミノ酸，グルコース，脂肪酸などの（開口分泌・離出分泌）として例えることもできる。

栄養素を吸収する。しかし，ほとんどの栄養素は脂2-4．乳 腺上皮細胞のミルク産生を支えるタイト質二重層を通過することができないため，これらのジャンクション

栄養素は細胞膜に存在するアミノ酸輸送体，グルコース輸送体，脂肪酸輸送体などの膜タンパク質を乳腺胞の乳腺上皮細胞が分泌したミルク成分は乳通ることによって効率的かつ大量に細胞内へと取り

腺胞腔から体内側に漏れたり，体内側に向かってミ込まれる。細胞内に取り込まれた栄養素は細胞質，ルク成分が分泌されたりすることはない。当たり前

小胞体，ゴルジ体，リボソームなどを移動しながらのことだが，ミルク成分が体内側に逆流しないよう代謝変換され，最終的に乳糖，脂質，およびカゼイにするためには乳腺上皮細胞に二つの条件が備わっ

ンやラクトフェリンを含む多様な乳タンパク質が合ていなければならない。一つは，乳腺上皮細胞と乳成される。合成されたミルク成分の中でも乳タンパ

腺上皮細胞の間に隙間が無いことである。もう一つ

ク質や乳糖などの水溶性成分はゴルジ体から分離しは，乳腺上皮細胞のミルク産生経路が側底部側（血た分泌小胞に含まれた状態で細胞質を移動し，乳腺管側）から頭頂部側（乳腺胞内腔側）に向かって一胞内腔に面した頭頂部側の細胞膜から開口分泌に方通行で行われていることである。この二つの条件

よって細胞外に排出される。一方，小胞体で合成さを満たすため，乳腺上皮細胞はタイトジャンクショ

れたトリグリセリドは小さな乳脂肪滴として細胞質）
3）。
ンと呼ばれる細胞間の接着構造を形成する6（図に放出され，細胞質を頭頂部側に移動しながら乳脂

通常，隣り合う細胞の細胞膜が直に隙間なく密着

肪滴同士が融合を繰り返し，最終的に細胞膜に囲ますることはない。なぜなら，隣り合う細胞膜の外表れた状態で分泌される（離出分泌）。以上のように，面はともに親水性であり，なおかつ膜タンパク質や乳腺上皮細胞は側底部側の細胞膜から栄養素を取り糖鎖などの突起物が存在するからである。そこで，込み，細胞内でミルク成分へと代謝変換し，頭頂部

乳腺上皮細胞は細胞間の隙間を塞ぐため，タイト

側細胞膜から分泌するという一方通行のミルク産生

ジャンクションという特別な構造を形成する。この経路を備えている。このシステマチックな経路はさタイトジャンクション，細胞膜を貫通する複数の膜ながら工場の生産ラインの様であり，材料搬入（栄タンパク質とそれを支える細胞内のタンパク質（裏Vol. 73. 2023

― 27 ―

打ちタンパク質）から構成されており，特に細胞外ルモンであり，乳腺上皮細胞に発現する受容体と結に突出した構造は Claudin と呼ばれる膜タンパク質合すると，その結合刺激がバトンリレーのようなメによって形成されている7）。隣り合う細胞同士が形

カニズムで細胞内に伝わっていき（細胞内シグナル

成した Claudin の構造が相互に結合することによっ経路），ミルク成分の産生とタイトジャンクションて細胞の隙間が埋められ，ミルク成分が細胞間隙かの形成に必要なタンパク質の発現量を増加させたら漏出しないようになっている。このように細胞間り，タイトジャンクションタンパク質の局在を変化

隙の物質移動を制限する機能をタイトジャンクショ

させたりする9）。泌乳期において，血中グルココル

ンのバリア機能と呼んでいる。

チコイド濃度は大きく変動しないが，プロラクチン

乳腺上皮細胞のミルク産生経路が一方通行になる

濃度は授乳刺激に応じて上昇する。そのため，泌乳

ためには，栄養素を吸収する血管側（側底部側）の期における乳腺上皮細胞のミルク成分産生量は授乳

細胞膜とミルク成分を分泌する乳腺胞腔側（頭頂部刺激の有無によって増減することになる。

側）の細胞膜が完全に区分けされなければならな

乳腺上皮細胞のミルク産生能力とタイトジャンク

い。この区分けを行うために必要な構造がタイト

ションはプロラクチン以外にも多種多様な内因性成ジャンクションである8）。なぜなら，タイトジャン

分によって調節されている。例えば，血糖値調節やクションを構成する膜タンパク質は牧柵のような構糖尿病でおなじみのインシュリン，細胞増殖を促進造を形成しながら細胞膜を一周し，その構造を超えする上皮成長因子（EGF）やインシュリン様成長て細胞膜のリン脂質や膜タンパク質が自由に行き来，子供から大人に成長する際に活躍す因子（IGF）

できないようにしているからである。そして，タイる成長ホルモンなどである10–12）。これらの内因性成

トジャンクションが細胞膜成分の行き来を制限する

分は，乳腺上皮細胞のミルク産生を上方調節する。

ことによって，側底部側と頭頂部側の細胞膜に異な一方，TNF– αや IL–1 βなどの炎症性サイトカイン，

る種類のリン脂質や膜タンパク質を配置させること性周期にともなって増減するプロゲステロンやエスが可能となり，栄養素吸収に特化した側底部側の細トロゲン，脂肪細胞から分泌されるレプチン，神経胞膜とミルク成分の分泌に特化した頭頂部側の細胞伝達物質であるセロトニンなどはミルク産生に対し膜が形成されるようになる。このようなタイトジャて抑制的な内因性成分である13,14）。いずれの内因性

ンクションの機能をフェンス機能と呼んでいる。

成分も乳腺上皮細胞の受容体に結合し，特定の細胞

タイトジャンクションのバリア機能とフェンス機

内シグナル経路を活性化させることによって，ミル能を備えた乳腺上皮細胞では，ミルク成分が細胞とク産生やタイトジャンクションの形成を調節する。

細胞の隙間から体内側に漏出することもなく，ミル

代表的な細胞内シグナル経路としては，プロラクチ

ク成分が体内側に向かって分泌されることもなくなンによる JAK2/STAT5 経路，インシュリンによるる。そのため，乳腺上皮細胞がタイトジャンクショ

mTOR/Akt 経路，炎症性サイトカインによる NFkB

ンを形成することはミルク成分の合成と分泌を適切

経路や JAK2/STAT3 経路などが挙げられる10,15,16）。

に行うために必要不可欠である。

逆に言えば，これらの細胞内シグナル経路の活性化状態を調べることによって，乳腺上皮細胞がどのよ2-5．乳腺上皮細胞を調節する内因性因子

うな内因性成分に調節されているかを知ることがで妊娠末期から分娩直後にかけて，ミルク成分の産き，乳腺上皮細胞のミルク産生能力とタイトジャン

生能力と強固なタイトジャンクションの形成が乳腺

クションがどのような状態であるかを推測すること

胞の乳腺上皮細胞に誘導される。この誘導の中心的もできる。

役割を担っているものが，プロラクチンとグルココ
ルチコイドである。どちらも妊娠末期に急増するホ― 28 ―

乳業

技術

2-6．乳腺上皮細胞を調節する外因性成分

3．培養ミルクを生産する乳腺上皮細胞の培

乳腺上皮細胞のミルク産生能力とタイトジャンク

養モデル

ションの形成を調節する成分は，母体が経口摂取

3-1．培養ミルクを生産する際に求められるもの

する食品中にも含まれている。例えば，枝豆や豆
腐，もやし，大豆，味噌などに含まれるイソフラボ

前述したように乳腺胞の乳腺上皮細胞は一方通行

ン類である。イソフラボン類の種類と含有量はマメのミルク産生経路とミルク成分漏出を防ぐタイト科植物の種類によって異なり，大豆にはゲニステイ

ジャンクションを備えている。このシステマチック

ンとダイゼイン，ひよこ豆や赤クローバーにはビオ

な機構が不完全な場合，乳腺上皮細胞は本来の能力

カニン A，アルファルファにはホルモノネチンやクを発揮できず，ミルク成分の産生量は減少する。そメストロールが多く含まれている。筆者らの研究ののため，乳腺上皮細胞を用いて培養ミルクを生産す

結果，乳腺上皮細胞のミルク産生とタイトジャンク

る際には生体同様に乳腺上皮細胞のミルク産生経路

ションはビオカニン A，ゲニステイン，ホルモノネとタイトジャンクションの形成を再現した培養モデチンによって抑制的に，ダイゼイン，パラエチル

ルが必要になる。また，上記 2-5. で示したようにフェノール，エクオールによって促進的に調節され乳腺胞の乳腺上皮細胞のミルク産生能力は多種多様

ることが明らかになっている 。他にも消化吸収さな内因性成分によって調節されており，上記 2-6.

れたアミノ酸や脂肪酸などの栄養素や食品添加物ので示したようにミルク産生とタイトジャンクション

非糖質系甘味料，食品ではないが向精神薬や煙草のを調節する外因性成分も様々である。すなわち，乳ニコチンが乳腺上皮細胞と結合し，そのミルク産生

腺上皮細胞の性状は幅広い成分によって調節されて能力を上方調節あるいは下方調節することが報告さいる。そのため，培養モデルに用いる培地成分の選れている18–21）。

択には細心の注意が必要である。他にも乳腺上皮細17）

乳頭口から侵入した細菌とその由来成分も乳腺上胞を大量に入手する方法や培地中に分泌されたミル皮細胞のミルク産生能力とタイトジャンクションのク成分を効率的に回収する方法など，培養ミルクを形成を調節する。例えば，大腸菌とその細胞壁成分実現化する際に確立すべきことがある。以降の本稿であるリポポリサッカライド，黄色ブドウ球菌とそではこれらの点について説明する。

の構成成分であるリポタイコ酸などである22,23）。乳
3-2．乳腺上皮細胞の供給源

頭口から侵入した微生物とその構成成分は乳腺上皮細胞の頭頂部側の細胞膜にある受容体と結合し，乳乳腺上皮細胞の合成・分泌する乳タンパク質の種

腺上皮細胞のミルク成分の産生能力の低下やタイト類やアミノ酸配列は哺乳動物の種類によって異なジャンクションバリアの脆弱化を引き起こす。まる。そのため，牛乳と同じ乳タンパク質を含む培養た，微生物とその構成成分は乳中や乳腺間質に存在ミルクを生産したい場合，ウシ乳腺から採取した乳する免疫細胞を活性化し，炎症性サイトカインの分腺上皮細胞を用いることになる。ミルク産生量の多泌量を増加させる。増加した炎症性サイトカインはい乳牛の乳腺には乳腺上皮細胞が多く存在するの乳腺上皮細胞に結合し，ミルク産生能力とタイトで，細胞供給源としては申し分ない。しかし，ミル。

ク産生量の多い乳牛の経済的価値は高く，酪農家もそのため，感染による炎症が起きている乳腺では，手放さないので細胞の供給源とすることは難しい。

乳腺上皮細胞のミルク産生が著しく阻害された状態

一方，乳房炎や外傷，周産期病や繁殖障害で生乳がになる。

搾れなくなった乳牛，あるいは乳量が低下した乳牛

ジャンクションバリアをさらに下方調節する

13,14）

は廃用牛としてと畜（屠畜）される場合がある。日
本国内の廃用乳牛の頭数は毎年 30 万頭を超えていVol. 73. 2023

― 29 ―

るが，それらの乳腺には特に有効活用法が無く，経済的価値も低い。そこで，廃用乳牛の乳腺を乳腺上
皮細胞の供給源として活用することができれば，乳腺に新たな有効活用方法が創出され，その利益は酪農家に還元されることが期待される。すなわち，培養ミルクの生産と既存の酪農業は両立できるのである。
乳腺上皮細胞の供給源を搾乳したばかりのミルクにする方法もある。なぜなら，ミルク中には乳腺胞

図４から剥離した乳腺上皮細胞が含まれているからであ

培養下のウシ乳腺上皮細胞る。例えば，ヒト母乳 1 mL には約 500 個以上，ブが あ る。 設 備 の 整 っ た 研 究 室 で は，Fluorescence

タ母乳になると 6 万個以上の乳腺上皮細胞が含ま

activated cell sorter（FACS）や Magnetic Cell Sorterれる 。実際にヒト母乳から乳腺上皮細胞を単離（MACS）などの専用機器を用いて乳腺上皮細胞塊し，培養下で増殖させる報告もある25）。この方法をを高純度で単離することができる。しかし，FACS

用いれば母体に対して非侵襲的に乳腺上皮細胞が採は数千万円以上する高額な機器であり，MACS は取することができるため，ヒトの乳腺上皮細胞を用ランニングコストが高い。そこで筆者らは乳腺上皮

いた培養ミルクの生産も可能かもしれない。

細胞を単離する方法として密度勾配遠心法を採用24）している。密度勾配遠心法は高比重の溶液（Percoll
3-3．乳腺上皮細胞の単離方法

や血清など）と細胞懸濁液を混合した後に遠心分離

生体において，乳腺胞は乳腺間質のコラーゲン線

することで，サイズや密度の異なる細胞を振り分け

維に埋もれた状態で存在する。そのため，乳腺胞のる方法である。大きな細胞塊を形成した状態の乳腺

乳腺上皮細胞を単離する際にはまずコラーゲン線維上皮細胞は沈殿しやすく，この密度勾配遠心法を繰

を酵素で分解する必要がある。その際に用いる酵素り返し行うことによって，他の細胞を混入させずにはコラーゲンを特異的に分解する酵素のコラゲナー

単離することができる。

ゼであり，トリプシン，ディスパーゼ，ヒアルロニ
ダーゼ，DNase など他の酵素と併用する場合もあ

3-4．乳腺上皮細胞の保存方法

る。これらの酵素を含む培地に細切した乳腺を浸漬

泌乳牛の乳房には数十兆個の乳腺上皮細胞が存し，乳腺間質のコラーゲン線維を分解する。続い在する。仮に 25 兆個の乳腺上皮細胞を平面状に播て，乳腺片をピペッティングでさらに解きほぐし，

種したとすると，その広さは2,500 平方メートル，

乳腺上皮細胞を含む細胞懸濁液にする。なお，この50 m プール 2 面分に匹敵する。廃用乳牛の頭数も段階での乳腺上皮細胞はデスモソームなどの接着構

年間 30 万頭であるため，廃用乳牛の乳房を用いる

造によって細胞同士が強固に結合しており，数百個ことができれば，培養ミルクの製造に用いる乳腺上の細胞が集まった細胞塊として存在している（図

皮細胞に困ることは無い。さらに，大量に単離した

4）。

乳腺上皮細胞を凍結保存すれば，任意の時期に任意の場所で培養ミルクの生産が可能になる。

細胞懸濁液には乳腺上皮細胞塊のみならず，乳腺内に存在する多種多様な細胞が含まれている（筋乳腺上皮細胞の生存力は高く，凍結保存すること

上皮細胞，脂肪細胞，線維芽細胞，血管内皮細胞，によって長期保存することが容易である。凍結保存

マクロファージ，形質細胞など）。そこで，細胞の際に特別な細胞凍結保存液や凍結方法を必要とせ

懸濁液の中から乳腺上皮細胞のみを単離する必要ず，市販されている一般的な細胞凍結保存液（セル― 30 ―

乳業

技術

バンカー，バンバンカーなど）や自作の細胞凍結保上皮細胞が適切なミルク産生を行うためには，タイ

存液（DMSO，ウシ胎児血清，培地の混合液）で十トジャンクションのフェンス機能によって細胞膜が分である。これらの細胞凍結保存液に単離した乳腺

頭頂部側と側底部側に区画化される必要がある。こ

上皮細胞塊を懸濁し，­80℃に凍結する。これだけの細胞膜の区画化が行われることによって，乳腺上で半年ほど保存できる。さらに長期保存したい場

皮細胞は側底部側の細胞膜にグルコースやアミノ酸合は液体窒素のタンクに保存する（9 年前に凍結さを細胞内に取り込むための膜タンパク質（輸送体やせた乳腺上皮細胞も生存していることは確認済み）。

チャネル）を配置し，細胞内で合成したミルク成分

これだけで解凍後の生存率は 90 ％以上ある。したを頭頂部側の細胞膜から分泌することができるようがって，乳腺上皮細胞塊を事前に凍結保存することになる。しかし，タイトジャンクションの細胞外構によって，時期や場所を選ばずに培養ミルクの生産造の幅は 10 nm ほどであり，タイトジャンクショ

に用いることができる。実際，筆者らは数十グラム

ンの形成には乳腺上皮細胞同士が 10 nm 以内に近ほどの乳腺から単離した乳腺上皮細胞塊を数十本に接する必要がある。そのため，ミルク成分産生を誘分けて冷凍保存し，適宜解凍して実験に使用してい導する際，乳腺上皮細胞が隙間なく敷き詰められたる。

コンフルエントの状態になるまで増殖させ，細胞同士を密接させなければならない（図 4）。

3–5．乳腺上皮細胞の増殖方法

コンフルエントに到達した乳腺上皮細胞にミルク

ウシ乳腺上皮細胞の増殖性は高く，一般的な組成産生能力を誘導するため，適切な培地で培養するこの増殖培地（EGF，インシュリン，ウシ胎児血清とが重要である。適切な培地とは何かというと，生を含む DMEM など）を用いて 1000 倍以上に増や体の乳腺胞において乳腺上皮細胞に届けられるミル

すことも容易である。しかし，乳腺上皮細胞の性質

ク成分産生に必要な栄養素やミルク産生を促進すは培養下で増殖する間に変化しやすく，増殖させる

る内因性成分を含んでいる培地である。すなわち，期間が長いほど本来の性質が失われる。一般的にミ『2-3．乳腺上皮細胞におけるシステマチックなミル

ルク産生の潜在力が高い細胞はコンフルエント（細ク成分産生経路』と『2-5．乳腺上皮細胞を調節す

胞が隙間なく敷き詰められた状態）の際に敷石状をる内因性因子』で述べた成分である。さらに，『2-6．

呈する。しかし，増殖を重ねた乳腺上皮細胞は紡錘

乳腺上皮細胞を調節する内因性因子』におけるミル状（縦長の形状）の形態を呈するようになり，タイ

ク産生促進性の成分を追加で加えることによって，トジャンクションの形成やミルク産生能力の誘導が通常よりも多いミルク成分を産生させることも可能

難しい。そのため，筆者らや共同研究者は乳腺上皮であると考えられる。

細胞を高密度になるように播種し，少ない増殖回数

乳腺上皮細胞がミルク産生を開始した後は適切なでコンフルエントに到達させるように培養している

方法で培地交換をしなければならない。実はこの（図 4）。将来的に培養ミルクの製造を実現化する際適切な方法の培地交換，一般的な培養で使用されには，増殖回数を重ねても本来の性質を失わないよるシャーレで行うことはできない。その理由は乳うにする増殖培地の開発が必要と考えられる。

腺上皮細胞のミルク産生経路における方向性とタイトジャンクションにある。生体の乳腺胞におい3-6．乳腺上皮細胞におけるミルク産生の誘導て，乳腺上皮細胞は側底部側の細胞膜で栄養素を吸乳腺上皮細胞にミルク産生を誘導する際に重要な収し，細胞内でミルク成分を合成し，頭頂部側に向ことは，乳腺上皮細胞がコンフルエントの状態に到かいながらタンパク質の修飾や脂肪滴の融合を進達していることである。その理由はタイトジャンク

め，最終的に頭頂部側の細胞膜からミルク成分を分ションにある。前述の 2-4. で述べたように，乳腺泌する。この一方通行のミルク産生経路の方向性をVol. 73. 2023

― 31 ―

獲得するためには，タイトジャンクションのフェン
ス機能によって細胞膜が頭頂部側と側底部側に区分けされる必要がある。しかし一方で，乳腺上皮細胞の細胞間隙がタイトジャンクションによって完全に塞がれた場合，乳腺上皮細胞層の頭頂部側にある培地中の栄養素が側底部側の細胞膜に拡散することができなくなる。そのため，タイトジャンクションを形成した乳腺上皮細胞に栄養素を供給する場合，乳腺上皮細胞層の下側（側底部細胞膜側）から栄養成分を供給する必要がある。この供給に最適なものが小さな穴の開いた膜（ニトロセルロース膜やポリエ
ステルメッシュメッシュ膜）を細胞の足場とする細胞培養インサート（Cell culture insert）である。

図５

二系統灌流培養システム

Cell culture insert を用いれば，生体の乳腺上皮細胞に増減したりすると，乳腺上皮細胞のミルク成分産と同様に，乳腺上皮細胞の側底部側の細胞膜から培生量は減少する。そのため，生体の血流と同様に絶地中の栄養素が供給できるようになる。そして Cell

えず安定した栄養素を供給する流動的な培地交換シ

culture insert は培養ミルクの生産においてメリット

ステムが求められる。

にもなる。それは膜の上に播種した乳腺上皮細胞層

搾乳を模した培地交換システムが必要な理由は，がタイトジャンクションを形成した際，膜の上側の乳腺上皮細胞が分泌するミルク成分の中には自身の培地（上槽培地）と膜の下側の培地（下槽培地）がミルク産生能力を低下させる成分も含まれているか隔離され，ミルク成分の分泌が上槽培地のみになるらである。このミルク産生に対して抑制性の成分は点である。この状態の培養モデルでは，下槽培地の本来，離乳後に乳腺上皮細胞のミルク産生を停止さ

栄養素供給と上槽培地のミルク成分回収を独立したせるために存在している。しかし，培養下において流れで行うことができるようになる。

は乳腺上皮細胞のミルク産生を低下させる成分として機能してしまう。そのため，ミルク産生抑制性の4．培養ミルクの実現化に向けた解決すべき

成分が過度に蓄積しないように培地交換するシステ

課題

ムが必要になる。現在，筆者らはこの問題を解決するため，血液と搾乳を模した 2 系統灌流培養システ

筆者らはウシ乳腺上皮細胞を用いてミルク成分を産生する培養モデルを確立している26,27）。しかし，

ムの開発を進めている（図 5）。

現時点の培養モデルでは乳腺上皮細胞のミルク産生

現時点の培養モデルに 2 系統灌流培養システムを能力は十分に発揮されていない。それは培養モデル

組み込むことによって，乳腺上皮細胞の能力を十分の培地交換の頻度に問題があるからである。乳腺上に発揮させながらミルク成分を生産することは可能

皮細胞のミルク産生能力を十分に発揮するためにである。しかし，培養ミルクを実用化するために解は，生体の血流と搾乳を模した培地交換システムが決しなければならない課題が他にもある。まず，現それぞれ必要である。

時点の培養モデルは実験用の高価な試薬や培養基質

血液を模した培地交換システムが必要な理由は，を用いており，培養ミルクの製造原価は通常の牛乳

乳腺上皮細胞はアミノ酸やグルコースなどの栄養素と比較にならないほど高い。また，実験室用の小さをミルク成分合成の材料に使用するからである。こな培養モデルなので，生産できる培養ミルク量も少の栄養素の供給が滞ったり，栄養素の濃度が不安定ない。さらに，培養作業が全て手作業であるため，― 32 ―

乳業

技術

熟練した培養技術者が求められる。そのため，培養

Biochim Biophys Acta, 1778, 588–600（2008）

ミルクの実現化に向けた大きな課題として，①培地

9） Kobayashi K, Tsugami Y, Matsunaga K, Oyama

コストの削減，②培養モデルの拡大化，③培養作業

S, Kuki C, Kumura H. Prolactin and glucocorti-のオートメーション化が挙げられる。

coid signaling induces lactation-speciﬁc tight

以上，培養ミルクの実現化までには課題が多く残junctions concurrent with beta-casein expression

る。しかし，ここ数年で細胞農業に関する培地成分

in mammary epithelial cells. Biochim Biophys
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10） Pauloin A, Chanat E. Prolactin and epidermal

向けた課題にも応用できることが期待される。培養

growth factor stimulate adipophilin synthesis in

ミルクの実現までに要する年数は予想よりも短いかHC11 mouse mammary epithelial cells via the

もしれない。

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乳業

技術