ヒト多能性幹細胞由来の心臓組織を用いた房室伝導軸のモデル化

2024-11-12 Tue
ヒト多能性幹細胞由来心臓組織モデルを用いた房室伝導軸のモデル化研究背景房室（AV）伝導軸は心房と心室の間の電気伝導を担っており、心臓電気生理系の核心部品である。房室伝導の遅延作用は心房と心室の協調収縮を確保し、正常な血流を維持する。房室結節領域の心筋細胞は緩慢な衝動伝導特性を持ち、この遅延は血液充満に極めて重要である。房室伝導系の機能障害は、房室伝導ブロックなどの重大な心律および収縮異常を引き起こす可能性がある。しかし、既存の研究モデル、例えばマウスやゼブラフィッシュモデルは、人類の房室伝導系の重要な特徴を模倣する際に制限があるため、房室結節領域の病理を研究するために、より生理的に関連するヒトモデルの切迫した必要性がある。
研究目的および方法このため、Jiuru Liらの科学者はヒト誘導多能性幹細胞（hiPSCs）由来の心臓組織（assembloids）を使用して房室伝導軸を模倣し、房室伝導系の機能メカニズムと関連病理をより深く探求する。研究チームはアムステルダム大学医学センター、アムステルダム心血管科学研究所に所属し、研究成果は「Cell Stem Cell」誌に発表された。研究の重点はWnt2とレチノイン酸（RA）を通じて心臓中胚葉細胞を房室管心筋細胞（AVCMs）へ分化させ、多成分組織系を用いて房室伝導軸を再現し、房室伝導ブロックなどの複雑な心律異常を模した際の有効性を検証することである。
研究プロセス本研究では単層誘導分化法を用いて房室管心筋細胞を生成し、hiPSCsを第4日にWnt2とRAを追加して房室管心筋細胞への分化を誘導した。第10日頃には、すべての心筋細胞サブタイプ（房室結節、心房、心室を含む）が明らかな収縮活動を示した。18-20日の流式サイトメトリー検出により、70%-90%の終末分化した心筋細胞がTNNT2タンパク質を発現し、分化の成功を示した。
これらの細胞のアイデンティティをさらに検証するため、研究チームは単一細胞RNAシーケンシング（scRNA-seq）を用いて分化細胞のトランスクリプトームを分析し、Wnt2とRA処理された心筋細胞がin vivoの房室管心筋細胞に似た遺伝子発現を示し、特にTBX2、TBX3などの特異遺伝子の発現レベルが顕著に高いことがわかった。さらに、研究者は異なるhiPSC系を用いて実験を繰り返し、分化プロセスの再現性を確保した。
研究結果研究は、Wnt2とRA処理によりヒト多能性幹細胞を房室管特性を持つ心筋細胞に分化させ、遺伝子発現と電気生理特性の両方でin vivoの房室結節細胞に類似することを示した。単一細胞膜パッチクランプ実験でAVCMsの電気生理特性を評価したところ、脱分極速度、活動電位の長さ、カルシウム恒常性などで顕著な特性が確認され、房室結節領域の心筋細胞としてのアイデンティティがさらに裏付けられた。
房室伝導軸をよりリアルに模倣するため、研究チームは異なるサブタイプの心筋細胞（心房、房室管、心室細胞を含む）を個々に培養して三次元球体を形成し、いわゆる「心臓組織」を作成した。これらの組織では電気衝動が心房側から心室側へ伝わり、in vivoと一致する速-遅-速伝導モードを示した。さらに、免疫蛍光染色により異なる領域の細胞の特異的な発現パターンが確認され、房室伝導軸モデルのリアリティが示された。
LMNA遺伝子変異による病理研究研究はまた、LMNA遺伝子変異により引き起こされる房室伝導ブロックの病理メカニズムを探った。LMNA遺伝子変異は、房室伝導ブロックなどの心律異常と関連していることが知られている。研究者は、LMNA変異を持つ患者からhiPSCsを分離し、AVCMsを生成して組織を構築したところ、これらの変異体組織は高頻度（2Hzおよび3Hz）で衝動伝導ブロック現象を示した。さらに分析したところ、変異AVCMsはカルシウム処理が異常で、主にカルシウム放出過剰とカルシウム瞬間衰減の遅延を示し、心筋細胞の脱分極が遅くなることで房室伝導ブロックの基盤になる可能性があることがわかった。
この問題を解決するため、研究チームは化学分子S107を用いてカルシウム漏れを減少させ、異常な脱分極を効果的に減少させ、房室伝導ブロックを緩和し、その潜在的な治療価値を検証した。
結論および意義この研究は、Wnt2とRAを用いて分化させたAVCMsが体内の房室管心筋細胞の特性を持ち、三次元組織で房室伝導軸を成功裏に再現したことを示した。AVCMsの生成方法は簡便かつ効率的であり、多様なhiPSC系に適用可能で、幅広い応用可能性がある。このモデルは、複雑な心律異常の模倣に利用できるだけでなく、房室結節領域の基本的な生物学的メカニズムの理解に新しい研究手段を提供する。
研究のハイライト房室伝導軸のモデル構築：多能性幹細胞由来のAVCMs組織で房室伝導軸の速-遅-速伝導モードを現実的に模倣し、房室伝導病理の研究の有力なツールとなる。
遺伝子変異研究：LMNA遺伝子変異に基づく組織がカルシウム恒常性異常に起因する伝導ブロックを明らかにし、複雑な心律異常の病因研究に新たな洞察を提供する。
潜在的な治療標的：カルシウム恒常性調節剤S107が房室伝導ブロックの緩和における役割を示し、房室結節病理に新しい介入手法を提案する。
研究の限界本研究は体内に類似した房室伝導軸モデルを構築したが、モデルには房室結節領域の非心筋細胞（例えば繊維芽細胞および内皮細胞）が欠けており、将来は三次元バイオプリンティングなどの方法を用いてモデルの複雑性をさらに向上させることが考慮できる。また、hiPSCs由来の心筋細胞はまだ成熟しておらず、成人の体内心筋細胞とは差異があり、この問題は将来の研究の重要な方向である。
総括この研究は、ヒト多能性幹細胞を用いて機能的な房室伝導軸モデルを革新的に構築し、心臓伝導系の生理および病理プロセスを研究するための強力なツールを提供する。遺伝子変異に関連する心律異常の病理を模倣し、潜在的な治療戦略を試験することで、このプラットフォームは複雑な心臓疾患の研究においてその巨大な可能性を示している。