ヒト膵臓発育過程における胚胎マクロファージの役割

背景と研究動機

膵臓の発育には、さまざまな細胞タイプ間の複雑な相互作用が関与しています。近年、膵臓微小環境における多様な細胞の相互影響が注目されつつありますが、免疫細胞が膵臓の器官形成において果たす役割は十分に理解されていません。胎児期には、免疫細胞が各器官に徐々に移行し、末梢耐性の確立を支援しますが、この過程の欠陥は多くの自己免疫疾患（1型糖尿病など）と関連しています。胚胎期のマクロファージ、特に卵黄嚢（yolk sac）由来の初期造血細胞は、発達中の多様な組織に移行し、組織に定着したマクロファージ群を形成することが知られています。しかし、膵臓において、マクロファージが内分泌細胞の分化にどのように関与しているのか、その具体的なメカニズムはまだ不明です。

本研究は、トロント大学健康ネットワークのMcEwen幹細胞研究所のAdriana Migliorini氏らによって行われ、人類の胎児膵臓における造血細胞成分を単核RNAシーケンシング（snRNA-seq）技術で詳細に分析し、マクロファージが内分泌細胞の分化において潜在的に支持する役割を探求することを目的としています。この研究成果は2024年11月7日に『Cell Stem Cell』誌に発表され、糖尿病治療における細胞工学に新しい研究の方向性を提供しました。

研究方法とプロセス

本研究は、ヒト胎児膵臓の微小環境におけるマクロファージの機能を包括的に明らかにするため、以下の複数のステップに分かれています。研究方法は次の通りです：

1. 胎児膵臓微小環境の単核RNAシーケンシング分析

研究チームは、妊娠第2期に14週から18週の胎齢にあたるヒト膵臓組織サンプルを収集し、単核RNAシーケンシングを通じて、膵臓の細胞と分子状態を分析しました。この分析は、妊娠期における膵臓上皮細胞、間質細胞、造血細胞の変化を明らかにし、6種類の異なる造血細胞を含む30個の細胞群を特定しました。

2. 造血細胞のトランスクリプトーム特性とマクロファージサブセットの同定

研究はさらに造血細胞のクラスター分析を進め、特定の標識遺伝子（TIMD4、CD36、LYVE1など）を表現する2つの主要な組織常駐マクロファージサブセットを発見しました。これらのマクロファージは、胎児膵臓において成人膵臓のマクロファージとは異なる役割を果たし、独自のトランスクリプトーム特性を示しました。

3. マクロファージと膵臓内分泌細胞の共培養実験

マクロファージと内分泌細胞との相互作用を模倣するため、研究チームはヒト胚性幹細胞（hESC）を利用し、マクロファージと内分泌細胞の共培養系を構築しました。体外培養と分化を通じて、胎児膵臓類似の膵臓前駆体とマクロファージを生成しました。研究の結果、共培養されたマクロファージは内分泌細胞の分化効率と生存率を著しく向上させました。

4. 体内移植実験の検証

共培養された内分泌マクロファージ類器官を免疫欠損マウスに移植する実験を進めました。その結果、移植された類器官はインスリンを分泌でき、血管形成にも成功し、内分泌細胞の生存と組織統合におけるマクロファージの重要な役割を示しました。

研究結果

本研究の主要な発見は以下の通りです：

1. 膵臓中のマクロファージの特性：胎児膵臓において、形態および機能面で成体マクロファージと顕著に異なる2つの独自のマクロファージサブセットが発見され、より強力な組織支持と調節能力を示しました。

2. マクロファージが内分泌細胞の分化を促進する作用：hESCを用いた共培養系を通じて、マクロファージが内分泌細胞の分化水準を顕著に向上させ、膵臓内分泌分化過程における生存率と増殖能力を増強することが証明されました。

3. 移植後の組織統合および機能：マウス体内実験において、マクロファージを含む内分泌類器官は、移植後、宿主血管系と統合し、分泌機能を有する膵島様構造を形成し、糖尿病の細胞置換療法に理論的支持を与えました。

4. シグナル伝達経路と細胞間の相互作用：研究はリガンド-受容体ペア分析を通じて、膵臓中の多様な細胞タイプ間のシグナル交換を明らかにし、特にマクロファージが内分泌細胞の生存と機能成熟を促進する上での鍵となる役割を持っていることを示しました。

研究結論と意義

本研究は、膵臓内分泌分化におけるマクロファージの支持的役割を明らかにし、膵臓内の組織定着マクロファージが直接の細胞間接触やシグナル分子の放出を通じて、膵臓の器官発生と機能成熟を助ける可能性を提示しました。この発見は、糖尿病治療領域でマクロファージが膵島細胞の生存率と移植成功率を高める重要な要素となり得ることを示唆しています。

研究のハイライトと革新性

1. 革新的な共培養モデル：本研究ではhESCに基づくマクロファージと内分泌細胞の共培養系を構築し、体外でマクロファージが内分泌細胞の発育において果たす役割を研究するための革新的なプラットフォームを提供しました。

2. 組織定着マクロファージの役割再定義：研究は、マクロファージが組織形成過程で免疫調節機能を有するだけでなく、内分泌細胞の分化と増殖に直接関与することを証明しました。

3. 糖尿病治療の潜在的応用：組織工学において血管形成と細胞生存を促進するマクロファージの能力を利用することで、糖尿病の細胞療法に新たな移植戦略を開発する可能性があります。

未来の研究方向

本研究は、膵臓発育におけるマクロファージの役割に関する重要な証拠を提供しましたが、まだ解決されていない問題も残っています。例えば、マクロファージの具体的な作用メカニズム、異なる発育期のマクロファージの機能差異、体内でのマクロファージと他の細胞タイプの相互作用についてです。また、他の出所のマクロファージが膵臓移植において持つ潜在的可能性を探索することが、移植成功率をさらに高めるかもしれません。

総括

本研究は、精密な単細胞トランスクリプトーム分析と体外/体内実験を通じて、膵臓発育と内分泌細胞分化におけるマクロファージの重要な役割を明らかにしました。これは膵臓発育の理解に新たな視点を提供するだけでなく、糖尿病の細胞置換治療に新しい方向性を指し示します。将来、マクロファージは膵島細胞移植療法の重要な補助手段となり、糖尿病治療における再生医学の応用をさらに推進する可能性があります。