病理学２

組織再生
フロンティア医学研究所組織再生学部門

三高

俊広

2021年10月7日 病理学21

両生類の肢再生
イモリの下肢の再生

サンショウウオの上肢の再生

切断

Molecular Biology of the Cell 5 th から引用

2021年10月7日 病理学22

“ヒトの体は再生するだろうか？”

2021年10月7日 病理学23

ヒトの指は再生するか？

NO
指が生えてくることはない

2021年10月7日 病理学24

「再生」の定義

形態的にもまた機能的にも、失われた組織と同等に復元されること2021年10月7日 病理学25

ヒトの指の再生切断された指は再生しないが繫ぐことはできる(機能的に再生することは可能）

弘前大学整形外科ＨＰより定義の上では、「再生」とは言わない

2021年10月7日 病理学26

ほ乳類の指先の再生

２歳の子供が指先を切断してしまった

Han M et al. Dev Biol 315(1): 125-135 (2008)

爪の一部がちょっとだけ再生

2021年10月7日 病理学2

7

組織再生
ほ乳類においても条件が整えば組織の再生が起こる可能性がある動物における再生の仕組みについて考えるのが本講義の目的
1. Cellular Regeneration

１細胞

2. Tissue Regeneration

多細胞

3. Organ Regeneration

器官･臓器

4. Structural Regeneration

個体の一部

5. Whole body Regeneration

個体全体

2021年10月7日 病理学28The five types of regeneration in animals
動物における “再生 Regeneration”

Slack JMW. EMBO reports 18(9): 1497-1508 (2017)
Originally from Bely AE & Nyberg Kg. Trends Ecol Evol (2010)2021年10月7日 病理学29

1. Cellular Regeneration

神経細胞は基本的に再生しない細胞体
Cell body

中枢神経系と末梢神経系では異なる

末梢神経系においては細胞体が無傷であれば、軸索が切断されても再生可能である軸索
Axon

Tang SK & Marshall WF. Science 20172021年10月7日 病理学210

1. Cellular Regeneration

体を構成する細胞
胚性幹細胞
Embryonic stem cells (ES cells)
幹細胞
Stem cells
体性（組織）幹細胞
Tissue-specific stem cells (Adult stem cells)

動物個体

体細胞
Somatic cells

2021年10月7日 病理学211

1. Cellular Regeneration

分化の多能性（方向性）

幹細胞
Stem cells

全能性幹細胞Pluripotent stem cells

全ての個体構成細胞に分化可能(個体を形成できる）

多能性幹細胞Multipotent stem cells

三胚葉性の細胞に分化可能*Bipotent stem cell

単能性幹細胞Monopotent stem cells

1種類の細胞にのみ分化可能
Ex. 精子幹細胞

2021年10月7日 病理学212

1. Cellular Regeneration

三胚葉分化
•

皮膚

•
•

感覚器
神経

中胚葉
Mesoderm

•
•
•
•
•
•
•

筋肉
骨
結合組織
心臓・血管
脾臓・リンパ管
腎臓・尿管
性腺

内胚葉
Endoderm

•
•
•
•
•
•
•

消化管
消化腺(唾液腺等）
肝臓、膵臓
喉頭・気管
肺
腹膜・胸膜
膀胱・尿道

外胚葉
Ectoderm

受精卵

胞胚

三胚葉

2021年10月7日 病理学2

汗･脂腺
毛

13

1. Cellular Regeneration

幹細胞(Stem Cells)• 全能性幹細胞 (Pluripotent [totipotent] stem cells)
全ての細胞に分化可能な細胞（個体を形成できる）• ES細胞 Embryonic stem cells• iPS細胞 Induced pluripotent stem cells• 多能性幹細胞 (Multipotent stem cells)
三胚葉性の細胞に分化する能力を持つ細胞• 造血幹細胞 Hematopoietic stem cells• 間葉系幹細胞（骨髄、脂肪、臍帯）Mesenchymal stem cells

2021年10月7日 病理学214

1. Cellular Regeneration

幹細胞の特徴幹細胞• 未分化能の維持（自己保持能）• 自己複製能• 嬢（分化）細胞の供給

最終分化細胞

Molecular Biology of the Cell 6th Ed
2021年10月7日 病理学215

1. Cellular Regeneration

幹細胞の細胞周期(大元の）幹細胞の細胞周期の特徴

静止期（Ｇ０−Ｇ１）にある造血幹細胞の場合
S, G2, M期の細胞： ５％以下
Ｇ0期：75％
Allsopp R, et al. J Exp Med, 193:917 (2001)

Dormantな状態（潜伏している）

幹細胞（Stem cells)
Self-renewal

実際に増えている幹細胞

単能性幹細胞Transit-amplifying (TA) cells

前駆細胞（Progenitor cells）

分化細胞（Differentiated cells）
2021年10月7日 病理学216

1. Cellular Regeneration

全能性幹細胞
ES細胞
Embryonic stem cells
全能性幹細胞Pluripotent stem cells
iPS細胞
induced pluripotent stem cells＊ 全ての細胞に分化可能な細胞（個体を形成できる）

2021年10月7日 病理学217

1. Cellular Regeneration

胚性幹細胞 − Pluripotent stem cells

受精卵 (Zygotes)（体細胞核移植）
全ての細胞が全能性を有する
Embryonic & extraembryonictissues (totipotent)

桑実胚（Morula)

胞胚（Blastosphere）

内部細胞塊（inner cell mass）

全ての細胞が多能性を有する
Embryonic tissues (pluripotent)

胚盤胞（Blastocyst）

栄養外胚葉（trophectoderm）
三胚葉分化

胎盤形成

胎児（仔）
2021年10月7日 病理学218

1. Cellular Regeneration

ES細胞の樹立方法
Early human embryos
受精卵Fertilised egg

8-cell stage

Cell adhesion

桑実胚Compacted morula

胚盤胞Blastocyst

Zona hatching

細胞を取り出す培養

Wikipedia

ES細胞作製残りの受精卵不妊治療

排卵誘発剤（予備で凍結保存）

体外受精
数個

2021年10月7日 病理学2

患者子宮
19

1. Cellular Regeneration

・倫理的問題点

ES細胞の問題点
不妊治療に用いられなかった受精卵を使用する
Ø 受精卵の滅失（ヒトに成長する可能性をなくすこと）の問題
Ø 健康なボランティアからの未受精卵の提供の問題

・技術的問題点

ほぼ全てのクローンには何らかの欠陥が見つかっている；
テロメア長が短い、エピジェネティック異常・拒絶反応が起こる

ES細胞由来の細胞は、患者のMHCと異なる可能性が高い・腫瘍（奇形腫）形成の可能性
未分化な細胞を本来の組織とは別の部位に移植すると奇形腫（Teratoma)が形成される

ヒトの卵巣・精巣腫瘍でよく見られる３胚葉由来の細胞・組織からなる

2021年10月7日 病理学220

1. Cellular Regeneration

胚性幹細胞の証明

細胞が全能性（Pluripotency）を持つことを示すには？

細胞を胚盤胞（Blastocyst）に入れると正常発生し、キメラ動物になる

2021年10月7日 病理学221

1. Cellular Regeneration

Induced-Pluripotent Stem Cells −

iPS細胞

ES細胞
Embryonic stem cells
全能性幹細胞Pluripotent stem cells
iPS細胞
induced pluripotent stem cells

2021年10月7日 病理学222

1. Cellular Regeneration

Induced-Pluripotent Stem Cells −2006年8月

iPS細胞

体細胞から全能性幹細胞を作ることができた（iPS細胞：人工多能性幹細胞）

山中4因子• Oct3/4• Sox2• C-Myc• Klf4

2007年１１月

山中伸弥 京都大学教授 2012年ノーベル生理学・医学賞

2021年10月7日 病理学223

1. Cellular Regeneration

iPS細胞が何故これほど期待されたのか？
iPS細胞

ヒトES細胞の問題点

・受精卵を破壊する

破壊しない（倫理的問題の回避）

・拒絶反応が起こる

患者細胞由来iPS細胞の作製（免疫拒絶の回避）

iPS細胞作成期間

・腫瘍（奇形腫）形成の可能性

ヒトES細胞
iPS細胞バンク

子宮内に戻せばクローン人間の可能性

2021年10月7日 病理学224

2. Tissue Regeneration

2021年10月7日 病理学225

2. Tissue Regeneration

胚性幹細胞
Embryonic stem cells (ES cells)
幹細胞
Stem cells

体性（組織）幹細胞
Tissue-specific stem cells (Adult stem cells)

2021年10月7日 病理学226

2. Tissue Regeneration

ヒト正常組織の恒常性維持・再生・生理的再生系組織 (Physiologically renewal system)••••

皮膚・爪・毛小腸
血球
子宮内膜

・条件再生系組織 (Conditionally renewal system)• 肝臓• 結合組織• 血管• 平滑筋
・非再生系組織 (non-renewal system)• 神経細胞• 骨格筋• 心筋
2021年10月7日 病理学227

2. Tissue Regeneration

生理的再生系組織
Physiologically renewal system• 皮膚：• 約１ヶ月• 爪：• 0.1 mm/日 再生するのに3ー6ヶ月

• 血液：

•
•
•
•

赤血球 120日
顆粒球 〜２週間
Ｔ細胞 ４〜６ヶ月
血小板 １０日

B細胞 数日〜 年• 小腸：• 吸収上皮細胞 ２〜４日

• 子宮内膜：• 28ー30日周期（月経周期）

組織幹細胞（Stem cells）が細胞を生み出している

2021年10月7日 病理学228

2. Tissue Regeneration
ヒトの皮膚組織

生体
Human body

バルジ

皮膚組織
Molecular Biology of the Cell 5 th Edから引用

2021年10月7日 病理学229

2. Tissue Regeneration

分化

生理的再生系組織の再生 − 表皮扁平上皮細胞の分化機能は、ケラチン (Keratin) を作ること
細胞質

（高）

角化層

１４日

細胞間橋

顆粒細胞層

棘細胞層

１４日

基底細胞層

１３日

核

（大）
増殖能
Stem cells
2021年10月7日 病理学2

幹細胞は基底膜に接した基底細胞層に存在

30

2. Tissue Regeneration

消化管組織における幹細胞の種類と存在部位

Intestine

StomachEsophagus

食道では、幹細胞は基底膜直上に存在Transit-amplifying (TA) cells

小腸腺窩底部に存在するパネート細胞
はniche細胞で隣接して幹細胞が存在

胃では、幹細胞は峡部に存在Quante M & Wang TC, Nat Rev Gastroenterol Hepatol, 6, 724 (2009)2021年10月7日 病理学231

2. Tissue Regeneration

小腸 ｰ Small Intestine
小腸の吸収上皮細胞の寿命：2~4日
Differentiated cells
15 TAs x 16~32 = 240~480 cells/日

TA cells
産生 16~32 cells/TA cell/日

Lgr5+-CBC cells~15 cells at a crypt bottom

Lgr5 + cells
Multipotent stem cells at crypt bottomde Lau W et al. Genes Dev. 2014;28:305-316

Marked Lgr5+ cells persist for the lifetime of a mouse

Lgr5+ cells
Quiescent, rarely dividing

古い細胞は次々と剥がれおち、消化吸収後の食べかすとともに便として排泄される（一日あたり、ヒトでは1011個、マウスでは2x108個の細胞が失われていく）

2021年10月7日 病理学232

2. Tissue Regeneration

生理的再生系組織の再生 − 血球

造血組織
胎児期： 肝臓
成体：
骨髄
マウス骨髄中の造血幹細胞の頻度： 200 〜1000 cells(<0.1% of CD133+ cells)

Long-term quiescent (reserved: backup)
HSCs: 1 division/145 days

造血幹細胞 Actively cycling (primed)

有核細胞

赤血球

4 x 106 細胞

2.4 x 108 細胞

2021年10月7日 病理学233

非再生系組織の再生 − 神経
Homeostasis of Neurons in the brain
原則、脳・脊髄にある中枢神経は再生しない

一部の神経細胞は再生する

抹消神経は再生可能

成体における中枢神経系の神経幹細胞存在部位•

脳室下帯 (Subventricular zone of the lateral ventricle (SVZ)•

海馬歯状回 (Subgranular zone of the dentate gyrus within the hippocampus (SGZ)
海馬歯状回

Neural stem cells (NSCs; GFAP-positive astrocytes)
•
•
•

脳室下帯

Long-term self-renewal
Proliferative potential
The ability to differentiate into the 3 main CNS cell types:

脳室下帯

Glial fibrillary acidic protein (GFAP) +•••Barani IJ et al. Int J Radiat Oncol Biol Phys, 2007

2021年10月7日 病理学2

Neurons
Astrocytes
Oligodendrocytes
34Homeostasis of Neurons in the brain
新生ニューロンの移動
Subventricular zone of the lateral ventricle (SVZ)

澤田雅人他

Wabik A & Jones PH. EMBO J 34; 1164-1179 (2015)

生化学2019; 2:178-190より

脳室下帯
吻側細胞移動経路(rostral migratory stream)

アストロサイトが作ったトンネル状構造の中を鎖状に繋がって高速に移動する

嗅球
2021年10月7日 病理学235

嗅球 (Olfactory bulb)
嗅神経細胞は生涯に渡って再生

匂い分子

寿命：30〜120日

嗅繊毛(20〜30本）

嗅覚受容体

嗅(神経)細胞1種類/細胞

篩骨の篩板(頭蓋底）

嗅覚器の構造JST 2013

嗅球

糸球体

僧帽細胞・房飾細胞
Wikipedia•

介在細胞（顆粒細胞・傍糸球体細胞）は新生する•

僧帽細胞・房飾細胞は再生しない

嗅皮質(大脳）Wikipedia

2021年10月7日 病理学236

2. Tissue Regeneration

ニッチ (niche)
幹細胞の増殖・分化・維持に必要な環境
Niche components
ニッチ（Niche）•

Act through short-range signals, which include
secretion of soluble factors or membrane adhesion

幹細胞（Stem Cells）•

維持

サイトカイン

分化

細胞外基質

間質細胞

Blood vessels
Provide nutritional support, convey long-range signals
from other sources, and allow cell trafficking fromand toward the niche

Transient Amplifying Cells（ＴＡ細胞）

増殖

Stromal support cells•

Neural inputs
Integrate signals from different sources and often
contribute to stem cell mobilization

•

神経
血管

2021年10月7日 病理学2

Extracellular matrix
Provide mechanical support and biochemical signals•••

Organizing stem cell positioning
Governing chemical signals
Creating gradients that guide stem cell fate37

2. Tissue Regeneration

Intestinal stem cell niche
小腸幹細胞の維持に必要な因子
間葉系細胞 mesenchymal cells•••

R-spondin (WNT signaling)
EGF (TGF-a)
Noggin (BMP signaling inhibitor)

小腸幹細胞（Lgr5陽性細胞）•••
１つのcrypt内に存在するLgr5+ stem cellsの数は、パネート細胞（Paneth cells）の数に依存し、平均15細胞

2021年10月7日 病理学2

WNT3
EGF (TGF-a)
DLL1 & DLL4 (Notch ligands)

パネート細胞38

2. Tissue Regeneration

創傷治癒
創傷 (Wound)：体表面や体内臓器組織の損傷又は欠損
創傷治癒
Healing of wound

損傷部位が元の組織と同等に復元するか（再生）、瘢痕
(Scar)を残して修復(Repair)される機転再生
Regeneration

形態的にも、また機能的にも失われた組織と同等に復元されること

瘢痕
Scar

欠損組織が肉芽組織と（膠原collagen）
線維によって置換されること

創傷治癒
Healing of wound＊線維： 生体内の繊維については「線維」が使われる

2021年10月7日 病理学239

2. Tissue Regeneration

再生と修復 (Regeneration and Healing)
再生する場合切創（手術創）再生しない場合

やけど後の肥厚性拘縮

一年後自然治癒
Wound Healing Center Homepageより2021年10月7日 病理学240４）裂創（写真②）
鈍的外力により、皮膚および皮下組織が伸展された際に、真皮層が引き裂かれて生じた創。

のが、高所からの墜落などによる強い外力によって体内に突き刺さった状態の創。生命にかかわる深部臓器の損傷を伴うことが多い。

②
●

⑤
●

創傷治癒形式

2. Tissue Regeneration５）皮膚剥脱創（写真③）
四肢がローラーに巻き込まれたり、車に轢過されたりした際の牽引、圧迫、剪断力などによって皮下組織と筋膜との間に断裂を生じた創。

受傷後、組織内で細菌が増殖するには６~８時間必要とされる。この時間が創閉鎖の目安とされる③●“Golden time”と呼ばれる創傷治癒形式

図２｜創傷治癒形式
一次治癒

Ø １次治癒縫合

special issue 1

鋭い刃物や手術などで切った傷は縫合すると、化膿しないかぎり細い１本の線の傷が残るが、治癒までの期間が短くきれいに治る。Golden time内にある創は合併症を併発する事なく１次縫合可能な治癒形式

a

二次治癒
肉芽

瘢痕

Ø ２次治癒b

皮膚の欠損が大きい創や、汚染の著しい創、Golden timeが過ぎた感染創に対しては、縫合できないので開放創のままとして治癒過程を進める場合

三次治癒
縫合
肉芽

Ø ３次治癒c〈出典〉遠藤幸男他：創傷の治癒過程と創傷管理，臨牀看護，18（5），p.1-11，1992.

Nursing Today

２次治癒で、主に感染を伴う創傷に対して意図的に一定期間開放創として処置し、創vol.24 no.9 45が清浄化した後に縫合閉鎖する場合2021年10月7日 病理学241

2. Tissue Regeneration

創傷治癒過程と肉芽組織 Granulation
第一期：炎症反応期

受傷後４，５日• 血液凝固により止血し、血小板から放出されたサイト
カインにより、好中球、リンパ球、単核球の遊走が起こる• 単核球が貪食細胞（マクロファージ）になり、放出するサイトカインにより線維芽細胞の遊走を促進する• 腫脹、発熱、発赤、疼痛（炎症の四徴）が起こる

第二期：増殖期（肉芽形成期）

受傷後〜１，２週• 線維芽細胞による膠原線維（コラーゲン）産生• 毛細血管の発達• 肉芽組織形成

第三期：安定期• コラーゲンの産生と分解が平衡化• 細胞成分の減少• 瘢痕化(Scar formation)

2021年10月7日 病理学2

器質化
Organization42

2. Tissue Regeneration

ケロイド(Keloid)
創傷治癒過程で膠原（コラーゲン）線維が過剰に作られることによっておこる
皮膚から盛り上がった腸詰状、線条状の硬い組織 （良性線維増殖性病変）内因性・外因性： 放射線被曝者や若い女性、精巣摘出患者に多い

胸部外科手術跡

ピアース跡

2021年10月7日 病理学2

真皮に膠原線維43

3. Organ Regeneration

2021年10月7日 病理学244

3. Organ Regeneration

肝臓の再生

Liver Regeneration
ギリシア神話の時代
Prometheus
ギリシア神話
人間に火を与えたことで、Zeusの怒りをかい、
コーカサスの山の岩に鎖で繋がれ、永遠に大鷲に肝臓をついばまれる刑に処された。
Prometheusは不死の身であったので肝臓は翌朝には元に戻ってしまう。
死ぬことも出来ず、毎日、永遠に苦しむ。

Prometheus Bound, Peter Paul Rubens(Philadelphia 美術館蔵）

2021年10月7日 病理学245

3. Organ Regeneration

肝再生

Liver Regeneration

ラット２／３部分肝切除 Partial Hepatectomy (PH)
Higgins & Anderson
Arch Pathol (1931)

2021年10月7日 病理学246

3. Organ Regeneration

肝臓は再生する臓器

術前

術後1ヶ月

2021年10月7日 病理学2

術後5年

47

3. Organ Regeneration

ヒト生体肝移植
手術方法

Donor肝臓の再生

徳島大学外科ＨＰより＜奈良医大ＨＰより＞

2021年10月7日 病理学248

3. Organ Regeneration

全能性幹細胞からの組織･臓器形成法

2021年10月7日 病理学249

3. Organ Regeneration

全能性幹細胞（Pluripotent stem cells）由来ヒト胃組織

McCracken KW et al. Nature, 516: 400-404 (2014)

2021年10月7日 病理学250

3. Organ Regeneration

全能性幹細胞（Pluripotent stem cells）由来小腸組織
Human ES細胞由来

Human iPS 細胞 由来

Supplementary Figure 2: HIOs from induced pluripotent stem cells engraft to form mature
human intestinal tissue in vivo. (a) Engraftment 6 weeks after transplant using HIO derived
from induced pluripotent stem cells. (b) Magnified image of engraftment revealing luminal
surface of engraftment with villi and central capillaries. (c) Magnified H&E of epithelium
within engraftment (Scale bar 100 µm). Crypt-villus domains were present as well as
appropriate layers of sub-epithelium including lamina propria, muscularis mucosa, submucosa,
and laminated outer smooth muscle layers. (d-g) All 4 intestinal lineages were present inengraftments including enterocytes (Villin- VIL) (Scale bar 100 µm) (d), Goblet cells (MucinMUC2) (e), Paneth cells (Lysozyme- LYSO) (f), and enteroendocrine cells (Chromogranin ACHGA) (g). E-cadherin (ECAD) or CDX2 were used for additional epithelial staining. (All scalebars 50 um except where specified).

Watson CL et al, Nature Med, 20: 1310-1314, 2014

2021年10月7日 病理学251

4. Structural Regeneration

2021年10月7日 病理学252

4. Structural Regeneration

ほ乳類の指先の再生
２歳の子供が指先を切断してしまった

Han M et al. Dev Biol 315(1): 125-135 (2008)

爪の一部がちょっとだけ再生

ヒト(ほ乳類)の指は再生しない？
2021年10月7日 病理学253

UPPLEMENTARY INFORMATION

doi:10.1038/nature1

4. Structural Regeneration

マウスの指先の再生
2011年のNatureに、マウスの指先が再生することを証明する、論文が出た
 
AP1/AP2

 

AP3
AP3

 

AP1/2

 

70 days following amputation







Germ-layer and lineage-restricted stem/progenitors regenerate the mouse digit tip
Rinkevich Y, Lindau P, Ueno H, Longaker MT, Weisman IL. Nature 476: 409-414 (2011)

AP2-3の部分にそれぞれの組織を作る細胞（組織幹細胞）が存在する• 皮膚・爪分化
組織幹細胞(体性幹細胞）




•
•
 •

 2021年10月7日 病理学2

筋肉
結合血管
組織




54

4. Structural Regeneration

マウスの指先の再生
In rodents and humans, multi-tissue regeneration
occurs if the digit tip is removed distal to the nail bed

3d

7d

3w

2w

切断前

切断前

3d

c: clot

7d2w

bl: blastema
Undifferentiated cell mass

神経
血管

e: epithelium
ct: connective tissue

Blastema

間葉系細胞の集合体
Mesenchymal cells

Lehoczky JA et al, Proc Nat Acad Sci USA 2011
Johnston AP et al, Cell Stem Cell 2016

様々な組織の前駆細胞が集まっている

•
•
•
•

血管
骨･軟骨
皮膚
結合組織

Schwann cell precursors
2021年10月7日 病理学255

5. Whole body Regeneration

2021年10月7日 病理学256

5. Whole body regeneration

体細胞核移植 ­ クローン動物の作製
体細胞核移植卵が産仔へ発生する割合
0.1〜５％
核の由来

分化の程度

遺伝子の
修飾

初期胚

−

−

正常個体

ＥＳ 細胞

−

− 〜
＋

正常個体、
産後直死

胎仔期生殖細胞−＋

胎仔期で死滅分化した体細胞＋−（？）

形態形成異常、
産後直死
正常個体

＋or−

−（？）

？

体性幹細胞

クローン羊ドリー

核移植後の個体への発生能

英国ロスリン研究所
Dr. Ian Wilmut
6歳雌羊乳腺細胞の核移植
約270回目ほとんどの動物のクローンが作成されている
2021年10月7日 病理学257