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国際宇宙ステーションでのマウス飼育により宇宙滞在が精子受精能力に及ぼす影響を解析
野田大地＊1

Noda Taichi

芝大＊2 伊川Shiba Dai

正人＊1

Ikawa Masahito

響や次世代に与える影響はよく分かっていなかった。

1．はじめに今回，筆者らの研究チームでは，人工重力環境

1961 年にユーリイ・ガガーリンが有人宇宙飛行（AG，約 1 G）と微小重力環境（MG，約 0 G）を比を成功させてから，現在までに 550 人以上が有人宇

較できる遠心機能付き小動物飼育装置を開発し，宙飛行を行った。近年の技術進歩や民間宇宙開

ISS での雄マウスの長期飼育（35 日間）と全頭生還発による低コスト化で，誰もが宇宙に行ける時代がに世界で初めて成功した 16）。また，生還した宇宙滞現実味を帯びている。しかし，宇宙環境（重力・放在マウスの精子受精能力や次世代への影響を分子レ

射線・精神的なストレス等）は人体の生理学的機能ベルで解析した 17）。これらの研究成果について，本に様々な影響を及ぼす。例えば，私たちは離着陸時稿で紹介したい。

1, 2）に 7G にも及ぶ重力を受け，この過重力は脳血流や動脈圧の低下を招く 3, 4）。また，無重力環境は宇宙飛行士の筋肉や骨密度の低下，及び視神経の障害を

2．遠心機能付き小動物飼育装置の開発引き起こす 5-7）。国際宇宙ステーション（ISS）での宇宙での小動物飼育ミッションの歴史は古く，米1 日当たりの放射線量は，私たちが地上で浴びる約国（NASA）は 1980 年代よりスペースシャトルで半年分に相当する数多くのマウス / ラットミッションを実施してい。無論，高い線量の被ばくは，8, 9）る。JAXA ミッションが後発であるため，より科学ゲノム変異や癌発生を引き起こす 。
10）

宇宙旅行や滞在が次世代に予期せぬ影響を与える的に厳密な重力影響評価を行うことをコンセプトにことを防ぐために，実験動物を使って生殖システム掲げ，「宇宙」での可変重力環境を構築することで，への影響が調べられてきた。宇宙空間でメダカ，イ

宇宙で「無重力」と「人工 1 G」の厳密な比較を行モリ，及びカエルを飼育したところ［飼育期間：えるコンパクトな飼育装置と人工重力発生器（遠心2 か月（メダカ），9 日（イモリ），18 時間（カエル）］，機）の総合システムを ISS に構築した。宇宙では飼生殖能力に異常は認められなかった。一方，凍育ケージ等の機器にトラブルが生じても迅速な対応

結乾燥マウス精子を ISS で 9 か月間保存したところが図れない場合が多い。過去の他国の開発した装置

DNA ダメージを受けることや，約 2 週間宇宙空間は多頭数を同時に飼育できるシステム（群飼育）ででラットを飼育すると精子形成異常や精子数減少があったが，そのような装置では万が一装置のトラブ見られることも報告された。しかし，適切な飼ルが発生すると，すべてのマウスが影響を受け，科育装置がない等の技術的影響も無視できず，また多学的な評価が難しい場合が多かった。そのため，ト頭数の哺乳類実験動物を宇宙空間で飼育し，地球へラブルが飼育群全体へ拡散することを防ぐために，生還させることは難しいために，分子レベルでの影複数のケージで飼育しリスクを分散させ，更に，ト26

Isotope News11-13）

14, 15）2020 年 8 月号

No.770A■：地上コントロール（GC）, ■：人工重力環境（AG）, ■：微重力環境（MG）

精巣
組織重量（mg）/体重（g）

図1

新たに開発した小動物飼育装置

精巣上体
1.5

5.0
4.0

1.0

3.0
2.0

0.5

1.00.0精嚢腺
5.00.0

**

前立腺
0.5**

4.0

0.4

3.00.3

2.0

0.2

1.0

0.1

0.00.0

軌道上飼育装置の外観および内部写真。この装置
1 つで小動物（マウス）1 匹を飼育する。
図1
新たに開発した小動物飼育装置
計 12 個の装置を使用し宇宙飼育を行った。
軌道上飼育装置の外観および内部写真。この装置１つで小動物（マウス）１匹を飼育す
1．給水システム（水バルーン），2．行動観察用カメラと明暗ライト，3．温度センサー，4．
る。計12個の装置を使用し宇宙飼育を行った。
ワイパー水用タンク，5．給水ノズル（2 個），6．カメラ面用ワイパー（水出し機能付き），7．
1．給水システム（水バルーン）、2．行動観察用カメラと明暗ライト、3．温度センサー、4．
餌，8．床面（参考文献 16 より抜粋改変）

ワイパー水用タンク、5．給水ノズル（2個）、6．カメラ面用ワイパー（水出し機能付き）、7．
餌、8．床面（参考文献１6より抜粋改変） B
AGGC
AMG

■：地上コントロール（GC）, ■：人工重力環境（AG）, ■：微重力環境（MG）

精巣
組織重量（mg）/体重（g）

精巣上体
1.5

5.0
4.0

1.0

3.0
2.00.51.00.0精嚢腺
5.00.0

**

**

前立腺
0.5

4.00.43.00.32.00.21.00.10.00.0

100 μmCAGGCMG100 μm

図2雄生殖組織の特性解析

A．組織重量の測定。MG 環境下で飼育されたマウスの精嚢腺重量が低下した。**：＜ 0.01B．精子形成の観察。精巣切片をPeriodic acid-Schiff-Hematoxylin 染色した。AG や MG 環境下で飼育されたマウスの精細管内には生殖細胞が存在した。
BAGGCMG
C．精巣上体尾部に蓄えられる精子の観察。射出されるまで，精子は精巣上体尾部に蓄えられる。精巣上体尾部の切片をHematoxylin-Eosin 染色したところ，いずれの実験群においても精子が観察できた。

ラブルが生じても状態を識別し，個体毎の解析精度力を獲得するために関与する。このように，雄生殖を高めることができるよう，筆者らは「個別飼育」

組織（精巣・精巣上体・副生殖腺）は，体内で精子が可能な独立ケージタイプの装置を開発した（図 1）。

が卵と受精するために重要な役割を果たす。

100 μm

CAGGC

MG

筆者らは，遠心機能付き飼育装置を用いて ISS で3．宇宙環境が雄生殖組織に与える影響AG（人工重力環境）と MG（微重力環境）の環境

精巣で作られた直後の精子は，運動能力や受精能全頭地球に生還させることに成功した。この宇宙滞力を持っていない。それらの能力は，精子が精巣の在雄マウスの生殖組織を採取して，地上で飼育した隣に存在する管組織（精巣上体と呼ばれる）を通過雄マウス（地上コントロール（GC））の生殖組織とする間に，精子膜上のタンパク質が翻訳後修飾を受重量を比較したところ，MG 群で副生殖腺重量が減けたり，精巣上体因子が精子へと取り込まれたりし少した（図 2 A）。一方，宇宙滞在雄マウスの生殖組て獲得される。その後，精子は精巣上体尾部に蓄え織の構造や精子産生能力は正常で（図 2 B-C），遺伝られ，射出時に，精嚢腺や前立腺から主に構成され子発現レベルを 3 群間で比較しても大きな違いはなる副生殖腺由来の分泌液と混合される。副生殖腺分かった。

100 μm

泌液も，雌性生殖路内で精子が適切な時期に受精能下で雄マウスをそれぞれ 6 頭ずつ 35 日間飼育して，ラットやヒトにおいて宇宙フライト中にテストス

Isotope News

2020 年 8 月号

No.77027

AGCAGMG

B■：GC, ■：AG, ■：MG
200160120

**
**
**

*

25 μm

C80AGGC

MG

400
平均速度 曲線速度 直線速度

25 μm

DGCAG

MG

100 μm図3

精子の特性解析
図3．精子の特性解析

A．形態観察。いずれの実験群においても，精子形態は正常だった。
A．形態観察。いずれの実験群においても、精子形態は正常だった。
B．運動性の測定。精子を体外受精用培地で2 時間培養後，精子運動解析システムを用いて各運動性パB．運動性の測定。精子を体外受精用培地で2時間培養後、精子運動解析システムをラメータを測定した。宇宙滞在マウスの精子で，運動性の低下が認められた。*：＜0.05，**：＜ 0.01
用いて各運動性パラメータを測定した。宇宙滞在マウスの精子で、運動性の低下が認
C．DNA ダメージの観察。コメットアッセイにより精子DNA 損傷度合いを測定したが，3 群間で差はめられた。*： < 0.05、**: < 0.01
C．DNAダメージの観察。コメットアッセイにより精子DNA損傷度合いを測定したが、3群なかった［移動距離（Comet tail の長さ）：41.7 ± 9.1 μm（GC），41.0 ± 7.1 μm（AG），43.4 ± 9.6 μm（MG）］。
間で差はなかった［移動距離（Comet tailの長さ）: 41.7 ± 9.1 μm（GC）、41.0 ±7.1
D．体外受精能力の検討。精子を卵と共培養したところ，いずれの実験区においても8 割以上の卵が受μm（AG）、43.49.6 μm（MG）］。
精した［受精率：86.7±±14.3％（GC），88.5 ± 10.3％（AG），88.6 ± 9.6％（MG）］。

D．体外受精能力の検討。精子を卵と共培養したところ、いずれの実験区においても8割以上の卵が受精した［受精率：86.7 ± 14.3%（GC）、88.5 ± 10.3%（AG）、88.6 ± 9.6%（MG）］。

テロン濃度が減少することや，血中テストステロン間で差はなく，これらの精子を卵と共に培養したと濃度の低下による副生殖腺重量の減少が報告されてころ 8 割以上の卵が受精した（図 3 C-D）。受精卵をいる。今回筆者らはサンプル数の関係で血中ホ培養すると胚盤胞期まで正常に発生し（図 4 A），そルモン濃度を測定できなかったが，副生殖腺重量のの発生率や胚盤胞の内部細胞塊や栄養外胚葉の細胞減少は血中テストステロン濃度の低下により引き起数にも 3 群間で差がなかった。更に受精卵を交尾刺こされたのかもしれない。また，先行研究と異なり激した雌マウスに移植したところ，健康な次世代マ精子産生能力に影響がなかった原因は明確ではないウスが得られた（図 4 B）。次世代マウスの成長曲線

が，飼育装置の改善が功を奏した可能性も考えられは正常で，次世代マウス同士の交配で得られる産子る。

数はコントロールとほとんど同じだった（図 4 C）。

18-20）

筆者らの解析から，副生殖腺重量は宇宙環境の影

長期滞在により凍結精子の DNA 損傷が認められた

響を受けやすいものの，精子産生能力や遺伝子発現先行研究と異なり，宇宙滞在マウスの精子 DNA でに宇宙滞在の影響はほとんどないことが明らかに大きな損傷が観察できなかったのは，ISS に滞在しなった。

た期間の違いや個体レベルでは DNA 損傷が修復された可能性が考えられる。
以上から，宇宙滞在マウスの精子は運動性低下が4．宇宙滞在が精子受精能力や次世代に与える影響見られるものの正常な受精能力を持ち，次世代マウ次に，宇宙滞在マウスが産生した精子の受精能力

スの成育や繁殖能力においても親世代が宇宙滞在しと次世代マウスの成育・繁殖能力への影響を調べた。

た影響は観察されないことが明らかとなった。

宇宙滞在マウスの精巣上体尾部から精子を取り出して顕微鏡下で観察したところ，精子形態は正常だったが，運動速度が地上マウスの精子と比べて低下し5．おわりにた（図 3 A-B）
。一方，精子 DNA 損傷の度合いは 3 群

マウスにおいて，精巣内で精原幹細胞から減数分

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Isotope News

2020 年 8 月号

No.770

AGC

AG

MG

100 μmB

C
10
出産当たりの産子数

MG50

次世代マウス同士の交配 GC

AGMG

図4．胚発生と次世代マウスの妊孕性
胚発生と次世代マウスの妊孕性
A．胚盤胞の観察。受精した卵は正常に胚盤胞期まで発生した［胚盤胞への発生率：A．胚盤胞の観察。受精した卵は正常に胚盤胞期まで発生した［胚盤胞への発生率：58.3％（GC），58.3%（GC）、80.9%（AG)、73.5%（MG）］。
80.9％（AG），73.5％（MG）］。
B．次世代マウスの誕生。受精卵を交尾刺激を与えた偽妊娠マウスに移植したところ、B．次世代マウスの誕生。受精卵を交尾刺激を与えた偽妊娠マウスに移植したところ，健康な次世代が健康な次世代が誕生した［産子数／移植した受精卵： 41.0 ± 6.1%（GC）、44.3 ± 7.6%
誕生した［産子数／移植した受精卵：41.0 ± 6.1％（GC），44.3 ± 7.6％（AG），36.9 ± 3.6％（MG）］。
（AG）、36.9 ± 3.6%（MG）］。写真は、MGマウスから得られた次世代マウスを示す。
写真は，MG マウスから得られた次世代マウスを示す。
C．次世代マウス同士の交配により得られる産子数。宇宙滞在マウスを親に持つ次世
C．次世代マウス同士の交配により得られる産子数。宇宙滞在マウスを親に持つ次世代マウスからも，代マウスからも、正常な産子数が得られた。
正常な産子数が得られた。
図4裂を経て精子ができるまでに約 35 日間，精巣上体を精子が移行して受精能力を獲得するまでに約 10 日間かかる。筆者らの結果は，宇宙滞在が精子産生能力や受精能力獲得に影響しないことを示している。更に，次世代マウスの成育・繁殖においても親世代の宇宙滞在の影響を観察できなかった。宇宙環境は人体の生理学的機能に様々な影響を及ぼすことが報告されているので，この結果は筆者らにとって予想外だった。今後更に長期間の飼育や，エピゲノム解析等詳細な解析が必要だが，筆者らの結果は将来予想される短期間の宇宙旅行等人類が宇宙へと活動領域を広げるにあたっての基礎的な知見の蓄積に貢献すれば幸いである。
参 考 文 献1） West, J.B., J Appl Physiol（1985）., 91, 1501-1511（2001）
2） Kerschmann, R.L., Current Pathobiology Reports., 6,145-147（2018）
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究開発機構（JAXA）有人宇宙技術部門きぼう利用センター）

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2020 年 8 月号

No.77029