全能細胞由来のブラストイドを用いた老化が着床と初期胚発生に及ぼす影響の探求

学術的背景

現代社会において女性の妊娠年齢が遅れるにつれ、高齢妊婦（Advanced Maternal Age, AMA）の妊娠に関する問題が顕著になっています。研究によると、高齢女性の胚の着床率と妊娠率は著しく低下していますが、その背後にあるメカニズムはまだ明らかではありません。着床は胚の生存と発生において重要なプロセスであり、胚と子宮内膜の複雑な相互作用を伴います。しかし、適切な研究モデルの不足や倫理的制限のため、科学者たちはこのプロセスについて十分な理解を得ることができていません。マウスモデルは、ヒトとの遺伝子発現プロファイルや着床制御経路の類似性から、ヒトの着床を研究する上で重要なツールとされています。近年、科学者たちはブラストイド（blastoids）モデルを開発しました。このモデルは、形態、細胞系統の分配、およびトランスクリプトームの特徴において自然な胚との類似性を持ち、初期胚発生と着床を研究するための新たな視点を提供しています。

しかし、現存するブラストイドモデルは、構築効率、細胞系統の位置関係、および発生能力の面で限界があり、自然な胚の発生プロセスを完全に模倣することはできません。したがって、より強力な発生能力を持つブラストイドモデルを開発し、初期胚発生と着床プロセスを正確にシミュレートすることが重要です。本研究は、全能性細胞（totipotent blastomere-like cells, TBLCs）を用いてブラストイドモデルを構築し、老化が着床能力に及ぼす影響を探求し、高齢女性の胚着床失敗の潜在的な分子メカニズムを明らかにすることを目的としています。

論文の出典

本論文は、Yuxin Luo、Chenrui An、Ke Zhong らの研究者たちにより共同で執筆され、北京大学第三病院、広州医科大学第三付属病院など、複数の機関が参加しました。論文は2024年2月24日に『Journal of Advanced Research』誌にオンライン掲載され、タイトルは『Exploring the impacts of senescence on implantation and early embryonic development using totipotent cell-derived blastoids』です。本研究は、中国国家重点開発計画と国家自然科学基金の支援を受けました。

研究のプロセス

1. TBLCsの誘導と同定

研究者たちは、スプライセオソームを抑制する方法を用いて、マウス万能幹細胞（mouse pluripotent stem cells, mPSCs）を全能性細胞（TBLCs）に誘導しました。これらのTBLCsは、トランスクリプトームの特徴において2細胞期および4細胞期の胚細胞に類似しており、万能幹細胞とは明らかな差異を示しました。定量PCR（qRT-PCR）と免疫蛍光染色を用いて、研究者たちはTBLCsが全能性遺伝子（例：Zscan4）を高発現し、万能遺伝子の発現レベルが低いことを確認しました。また、TBLCsは全能細胞と同様の増殖能力を示しましたが、長期間の培養では増殖速度が低下しました。

2. ブラストイドの構築と特性評価

研究者たちはTBLCsを用いてブラストイド（TB-blastoids）を構築し、Hippo経路を抑制するリゾリン脂質酸（lysophosphatidic acid, LPA）を追加することで、三次元培養システムを最適化しました。培養プロセス中に、ブラストイドは典型的な胚様構造を形成し、内細胞塊（ICM）、栄養上皮層（TE）、および原始内胚葉（PE）という三つの細胞系統を含みました。免疫蛍光染色によって、ブラストイドの細胞系統の配置は自然な胚に類似していることが確認されました。また、単一細胞RNAシークエンシング（scRNA-seq）により、ブラストイドのトランスクリプトームの特徴が自然な胚と高度に類似していることがさらに裏付けられました。

3. 老化がブラストイドの発生に及ぼす影響

高齢女性の胚の老化特性を模倣するため、研究者たちは酸化ストレス誘導剤である過酸化水素（H2O2）を用いてTBLCsを処理し、老化に関連するブラストイドモデルを構築しました。免疫蛍光染色とqRT-PCRにより、老化TBLCsの細胞増殖能力が低下し、老化関連β-ガラクトシダーゼ（SA-β-gal）活性の増加など、典型的な老化の特徴を示すことが明らかになりました。その後、研究者たちは老化TBLCsを用いて老化ブラストイドを構築し、その発生能力が著しく低下し、着床率が減少し、胚様構造が退化することを示しました。

4. 内外におけるブラストイドの発生能力評価

研究者たちは体外でブラストイドを培養し、着床後胚に似た構造を形成できることを観察しました。さらに、ブラストイドを疑似妊娠マウスの子宮内に移植し、正常に着床して脱膜化（decidualization）を誘発することを確認しました。しかしながら、老化ブラストイドの着床率と発生能力は通常のブラストイドに比べ著しく低く、これは高齢女性の胚着床失敗の現象と一致しました。

5. 遺伝子発現と疾患関連分析

老化ブラストイドと通常のブラストイドのトランスクリプトームデータを比較することで、老化ブラストイドでは老化とアポトーシスに関連した遺伝子の発現が増加し、多能性と酸化的リン酸化に関連した遺伝子の発現が減少していることが明らかになりました。さらに、研究者たちは遺伝子-疾患関連分析を行い、不妊症、卵巣機能不全、および妊娠合併症に関連する一連の遺伝子を特定しました。これらの遺伝子は、高齢女性の胚着床失敗の原因となる役割を果たしている可能性があります。

研究結果

1. TBLCsの誘導と同定：研究者たちはTBLCsの誘導に成功し、その全能性特性を確認しました。TBLCsは、トランスクリプトームの特徴において初期胚細胞と類似しており、万能幹細胞との間に明らかな差が見られました。

2. ブラストイドの構築と特性評価：TBLCsを用いてブラストイドを正常に構築し、その形態と細胞系統の配置が自然な胚と極めて類似していることを確認しました。単一細胞RNAシークエンシングにより、ブラストイドのトランスクリプトーム特性が自然な胚と一致することがさらに確認されました。

3. 老化がブラストイドの発生に及ぼす影響：酸化ストレスによって誘導された老化TBLCsより構築されたブラストイドは、その発生能力が著しく低下し、着床率の低下と胚様構造の退化を示しました。

4. 内外におけるブラストイドの発生能力評価：ブラストイドは、体外培養と体内移植実験において、自然な胚と似た発生能力を示しましたが、老化ブラストイドの発生能力が顕著に低下しました。

5. 遺伝子発現と疾患関連分析：老化ブラストイドのトランスクリプトームデータ分析により、老化とアポトーシスに関連した遺伝子の発現が増加し、不妊症と妊娠合併症に関連した遺伝子の発現変化が明らかになりました。

結論と意義

本研究では、全能細胞に基づきブラストイドモデル（TB-blastoids）を構築することに成功しました。その形態、細胞系統、およびトランスクリプトームの特性は、自然胚と非常に似ています。さらに、老化プロセスを模倣することで、研究者たちは老化が胚着床と初期発生に及ぼす否定的影響を明らかにし、高齢女性の胚着床失敗に関連する一連の遺伝子を特定しました。これらの発見は、高齢女性の妊娠問題のメカニズムを探求するための新しい研究モデルを提供し、高齢女性の妊娠成績を向上させるための潜在的介入の標的を示唆しています。

研究のハイライト

1. 新しいブラストイドモデル：本研究では、初めて全能細胞を用いてブラストイドモデルを構築し、その発生能力とトランスクリプトームの特性が既存のモデルよりも優れていることを示しました。

2. 老化メカニズムの探求：酸化ストレスによる老化TBLCsの誘導により、研究者たちは高齢女性の胚の老化特性を模倣し、老化が胚発生に及ぼす否定的影響を明らかにしました。

3. 遺伝子-疾患関連分析：研究者たちは遺伝子-疾患関連分析により、不妊症と妊娠合併症に関連する一連の遺伝子を特定し、高齢女性の妊娠健康を改善するための新しい研究方向を示しました。

他の貴重な情報

本研究のブラストイドモデルは、将来の胚の初期発生および着床の研究に重要なツールを提供します。特に、高齢女性の妊娠問題のメカニズムを探求するのに役立ちます。さらに、本研究は、高齢女性の妊娠問題に対する治療戦略を開発するための潜在的な標的を提案しています。