用ES細胞和iPS細胞製造胰腺 旨在發現糖尿病的新療法

用ES細胞和iPS細胞製造胰腺 旨在發現糖尿病的新療法 - 日本東工大粂昭教授專訪

生命科學與工程學院的粂昭苑教授正在研究由ES細胞（胚胎幹細胞）和iPS細胞（人工多能幹細胞）產生的β細胞

目前，再生醫學有望成為糖尿病的新療法，分泌胰島素的胰腺β細胞可以在試管中製造和移植。

研究胰腺形成的過程

糖尿病是一種由胰島素缺乏引起的疾病。也就是說，胰島素有助於降低血糖水平。而胰島素是胰腺胰島中β細胞分泌的激素，因此，糖尿病是β細胞功能障礙的原因。

目前，胰島素注射、胰腺和胰島移植作為胰島素依賴型糖尿病的治療方法，常常被應用於危重患者。然而，供體不足是移植的一個嚴重問題。在這種情況下，預期是在試管中製造和移植β細胞的再生醫學。生命科學與工程學院的粂昭苑教授正在研究從ES細胞和iPS細胞中製造β細胞。

粂昭苑教授回顧了開始這項研究的原因。 「我在攻讀博士學位時，開始研究發育生物學。 這是關於多細胞生物產生的學問領域，研究受精卵如何分化成器官和內臟器官。最初研究的是在受精後不久，身體軸（背部和腹部的差異）是如何產生的。但是以1999年到2002年去美國哈佛大學留學為契機，開始了有關胰臟發生的研究」。

因為在留學研究室的兩位教授的孩子患上了1型糖尿病，粂昭苑教授開始研究胰臟相關的發生。然而在對胰臟的發生進行調查後發現，幾乎所有的研究都沒有進展。於是她下定決心推進這項研究。2002年回國後，教授在熊本大學疫情醫學研究所全面展開研究，該研究所一直持續到2014年。

在胰腺生成研究中，有一種方法可以從體內取出胰腺的成人幹細胞，並觀察其增殖過程。然而，組織中有日常再生和非日常再生的組織，而胰臟不是頻繁再生的組織。粂昭苑教授認為很難使用成人幹細胞，所以選擇了使用ES細胞和iPS細胞的方法。

幹細胞包括ES細胞、iPS細胞和成人幹細胞

首先，在觀察胰臟的發生過程中，有必要仔細調查細胞會產生怎樣的基因，從而形成胰臟。如果胰臟是由ES細胞/IPS細胞製成的，則遵循圖1所示的過程。首先，ES細胞/IPS細胞產生內胚葉，形成胰臟的前驅細胞。胰臟的前驅細胞是決定成為胰臟的細胞。最後，由胰臟的前驅細胞生成內分泌前驅細胞，然後分化成β細胞。

圖 1. 用ES/iPS細胞製造胰腺的過程

例如，已知在胰臟的前驅細胞中，被稱為PDX1的遺傳因子起作用（圖2）。因此，通過使用老鼠的ES細胞/IPS細胞，以PDX1等基因為記號，來追蹤胰臟的前驅細胞。

具體來說，當PDX1表達時，通過製作綠色螢光蛋白質（GFP），胰臟的前驅細胞會發出螢光。由此，只要調查細胞是否會發出綠色的光，就可以判斷出分化成胰臟前驅細胞（圖3）。

「經過反覆試驗，2008年左右，我們成功地從老鼠的ES細胞/iPS細胞中高效製造出了胰臟的前驅細胞。我永遠不會忘記看到細胞發出綠色光芒的那一瞬間感動的心情」粂昭苑教授回憶道。這一成果在報紙上被廣泛報導。

發現促進β細胞分化的物質 有望成為糖尿病的新療法

為了製造β細胞，粂昭苑教授開始認真研究促進內分泌前驅細胞向β細胞分化的條件。

「已知加入某種低分子化合物可以促進細胞分化。但是，由於已知化合物不能像想像的那樣促進β細胞的分化，所以我們利用了共同研究的京都大學教授的化學物庫。這是一個低分子化合物庫，其作用機制是已知的，每一個都作為藥物在市場上上市」。

通常，藥物通過作用於我們體內的酶和受體等特定目標分子來發揮作用。作用機制是藥物結合到哪個目標分子中發揮治療效果。通過使用已知作用機制的化學文庫，很容易縮小參與β細胞分化的分子（圖4）。

圖 4. 探索促進分化的化合物，發現未知的作用機制

粂昭苑教授通過將約1120種化合物逐個地添加到培養基中，探索促進向β細胞分化的化合物。

結果非常有趣：一種名為四苯胺（TBZ）的化合物抑制細胞內囊泡載體（VMAT2），有減少細胞內的多巴胺，促進β細胞分化的作用。

實際上，通過加入TBZ和另一種化合物，從老鼠的ES細胞中分化胰島細胞，並將其移植到糖尿病小白鼠身上，也確認了老鼠的血糖值有所改善。

在那之後，粂昭苑教授在對促進β細胞增殖的條件進行了調查研究。結果表明，抑制多巴胺D2受體的化合物唐佩裡酮（DPD），通過抑制β細胞的去分化，有維持β細胞能力的作用。

證明胺基酸複雜地參與細胞分化

另一方面，在製造正常細胞時，為細胞提供胺基酸等營養的培養基也很重要。已知ES細胞/iPS細胞有分化方向性。也就是說，根據分化的方向性，將產生不太分化的細胞株和很好地分化的細胞株。如果還殘留著未分化的細胞，那就有產生腫瘤的危險，所以不留下未分化的細胞是進行再生醫療的關鍵。

「我準備了許多培養基，每個培養基中都含有20種胺酸，然後開始培養細胞。有趣的是，在去除蛋氨酸的培養基中，未分化的細胞被選擇性地殺死。以前，在使用老鼠ES細胞的實驗中，如果沒有酪氨酸（一種胺基酸）就會死亡。因此，我們使用人類ES細胞進行了試驗，發現蛋氨酸對於人類至關重要。」

在粂昭苑教授的研究中，除去了甲胺素的培養基，經過數小時的培養，ES細胞/IPS細胞很容易分化，同時，只有未分化的細胞會死亡，因此，β細胞變得容易。

「通過設計培養基，就能高效地製造出沒有未分化細胞的細胞集團。」

從闡明發生機制到再生醫學和藥物發現

2019年1月，粂昭苑教授與三井三京和三菱UFJ資本合作開始了關於來自iPS細胞的胰島素生產細胞的開放革新研究。這是在粂昭苑教授的研究室開發的，通過將人體iPS細胞高效製作胰臟β細胞的方法與第一方、第三方技術相融合，來改善與體內β細胞相近的、來自iPS細胞的胰島素生產細胞的性能提高和製作方法。以實現和實用化對重症1型糖尿病的革新性治療方法。聯合研究為期三年。

如上所述，通過從ES細胞/iPS細胞中製作可移植的細胞，不僅可以闡明臟器產生的機制和應用於再生醫療，還有望開發新的治療方法和藥物。

另外，在2型糖尿病的情況下，由於已知與遺傳因素有關聯，所以可以從患者中取出細胞，製作IPS細胞，或者通過改變細胞/iPS細胞中特定的基因，來調查分化後的β細胞是否容易變得功能障礙。

此外，除了胰臟之外，粂昭苑教授目前正在研究用ES細胞/IPS細胞製作其他消化器官（如肝臟和腸）。

注釋：

1.成體幹細胞：通常是指睡眠在身體組織中的幹細胞，在細胞死亡、組織損傷時，負責供給新的細胞，再生組織。幹細胞還有ES細胞和iPS細胞。

2.培養基：用於培養微生物和細胞的液體和固體物質。其中含有培養所需的營養成分。

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