骨髄間葉系幹細胞（BMSC）は.損傷や老化した臓器の構造的・機能的修復を促進することができる間葉系由来の多能性幹細胞で.再生医療の種細胞として最も有望視されています。 BMSCsの移植の有効性は認められているが.細胞治療のメカニズムについてはまだ議論の余地がある。 虚血性脳卒中の治療におけるBMSCsのメカニズムについて.最新の研究成果を以下に紹介する。
1.BMSCsの脳血流および血液脳関門透過性に及ぼす影響
Cesarioらは.マウス由来のBMSCを虚血ラットの線条体に移植し.脳血流と血液脳関門透過性に有意な改善を認め.12日間の投与で正常に近づいた。 12日間の投与で脳血流は正常に近い状態になった。 また.移植細胞量と脳灌流には正の用量依存関係があり.投与ラットのBBBは対照群に比べ有意に改善し.BBBの改善についても同様の用量依存関係が認められた。 この知見は.Polgarらの研究における用量-行動回復状態の用量依存的な関係と非常によく似ている。 また.ChenらによるBMSCsを用いた脳梗塞治療後の脳組織における血管径の増加や微小血管の分岐数の増加も.治療効果を裏付けています。 しかし.新生血管には時間が必要であり.移植初期の脳血流増加やBBBの改善は.新生血管では説明できない。 この結果は.脳内の神経栄養因子が同時に上昇したことと関係があるのでしょうか？ BMSCsが介在する神経栄養因子が.損傷を受けたがまだ生存可能な宿主血管を救済したかどうかについては.さらなる調査が必要である。
2.細胞分化・置換理論
細胞移植による脳卒中治療の合理的な解決策は.虚血・損傷部位の周囲に幹細胞を移植し.死んだ神経細胞を分化・置換させることである。 基礎研究により.試験管内で細胞を神経系細胞に分化誘導できることが証明されています。 しかし.脳内移植後のBMSCの生存状況や生体内での分化については.まだ議論の余地がある。
大多数の研究は.BMSCが生体内で神経系細胞に分化することができると結論付けており.Leeのラット自家BMSCは移植4週間後でも同側の線条体.海馬.両側の新皮質に生存し分布していることが確認された。 約20％と15％の細胞が.それぞれ神経細胞とアストロサイトのマーカーを発現していた。 しかし.著者らは.単純な培地を用いたin vitroの研究では.ニューロン特異的なタンパク質を発現するBMSCsを見つけることができなかった。 また.Leeは移植されたBMSCが大脳皮質と海馬では神経細胞に.脳梁ではアストロサイトに分化する傾向があることを発見し.自己のBMSCが移植される微小環境は細胞自身の分化をより促進することが示唆されました。 Castroらの研究では.BMSCsは脳損傷組織においてニューロン様細胞に分化することができないと報告されている。Luの研究でも.BMSCsはホストCNSにおいてニューロンおよびグリア細胞に分化しないことが判明した。 太田は.移植後1〜2週間で脊髄損傷部位に移植細胞が観察されたが.NF.GFAP.O4などの神経細胞特異的なタンパク質を発現するBMSCはなかったこと.移植後3週間でほぼすべてのBMSCが「消滅」したことから.細胞移植後の機能回復・向上は細胞と損傷組織の機能ではないかもしれないと観察している。 しかし.移植された細胞が消失することは.少なくとも腫瘍形成や催奇形性の可能性が低いことを示唆しており.BMSCs移植の安全性を間接的に裏付けている。
移植された細胞が神経系細胞に分化できなかったり.ごく一部しか分化しなかった場合.組織損傷を効果的に修復できるかどうかは疑問である。 例えば.ネスチンは初期のCNS組織だけでなく.筋肉や心筋など他の発生途上の細胞にも発現しており.ニューロン specific enolase (NSE)は神経細胞特異的なタンパク質で.小細胞肺がんや非小細胞肺がん細胞などの非神経細胞組織でも発現することがあります。 この分化を特定のタンパク質の発現だけで判断するのは.少なくとも厳密とはいえない。
Leeは.自己由来の細胞は自己の損傷した細胞と融合しやすいはずだと示唆したが.細胞融合の分子メカニズムはさらに解明される必要がある。 彼らの死後（骨髄移植後22日.63日.6年）に得られた脳検体の分析から.移植された細胞はニューロン.アストロサイト.ミクログリアに分化することが判明した。 しかし.染色体分析では多倍体細胞は見られず.Y染色体陽性細胞のみであり.結論として細胞融合現象は支持されない。 したがって.移植された細胞が宿主の脳と一体化し.傷ついた脳組織を置き換えて神経回路を再構築したのではないかという説は.まだ確証が得られていないのだ。
脳卒中は.脳室下帯にあるin situ神経幹細胞を新しい神経細胞に変化させる可能性があります。 しかし.新しい神経細胞の大部分は脳卒中後1週間以内に死んでしまい.死んだ神経細胞に取って代わる生存可能な神経細胞の数は非常に少ないのです。 したがって.幹細胞を損傷部位に移植することで.宿主である脳の内因性修復機構が活性化される可能性があるのです。
このように.移植された細胞が宿主の傷ついた細胞を置き換える能力は限られており.単純な組織置換ではなく.このメカニズムの可能性を高めるだけである。
3.神経ペプチドと神経栄養理論
神経ペプチドや神経栄養因子は.神経組織における情報伝達の重要な構成要素であり.その神経シグナリングや神経栄養効果は.傷ついた脳組織の修復に不可欠なものである。 近年.脳卒中治療におけるBMSCsのメカニズムの研究で注目されている。
神経栄養因子は.構造的に関連したペプチドファミリーである。 BDNFとNT-3は神経突起の成長を誘導し.神経伝達物質合成のための重要な酵素の発現を促進する。NGFはアポトーシスを抑制し.神経細胞の再生を促進する。GDNFはアポトーシスを抑制し.神経細胞の再生を促進することができる。 NGFはアポトーシスを抑制し.神経細胞の再生を促進することができる。GDNFは神経細胞を保護し.脳損傷後の脳の腫れを抑えることができる。HGFは細胞の分裂を促進し.組織型を構成することができる。
試験管内で第6世代まで培養したラットBMSCは.NGFやGDNFを発現し続けることから.HGFの神経栄養因子の発現を高める能力が.脳卒中の脳機能回復の鍵となる可能性があります。 GDNFの分泌能力は.周囲の微小環境と自己増殖の状態によって制御されている。
神経栄養因子は.宿主細胞の抵抗力を向上させ.内因性前駆細胞の生存.移動.分化を促進し.さらにBMSCはパラクラインの役割を果たし.多くの有益なサイトカインを生産することができる。
Zhangは.BDNFがオリゴデンドロサイトの増殖を促進し.脳組織の炎症性滲出液や脱髄を抑える可能性も示唆し.Luは.脊髄損傷の研究で移植細胞がNGFとNT-3を含んでいることを発見した。 ELISA試験では.移植後にGDNF.アクチビンA.TGF-β.TGF-β2レベルのみが上昇し.その他の因子はごくわずかか全く測定されないことがわかった。 は.NGFには影響を与えないものの.BDNFの発現を増加させることができます。
IGF-1の分泌は細胞外のシグナルの変化に影響されるが.ZhangがBMSCを脳虚血の治療に応用したところ.治療群では対照群に比べIGF-1の分泌が有意に高くなることを発見した。
しかし.細胞移植後に宿主の脳自身の細胞.特にアストロサイトが独自の神経栄養因子分泌を活性化する可能性も否定できず.神経栄養因子の上昇源の特定も重要であり.現在の様々な神経栄養因子に関する知見は矛盾しており.神経栄養因子に関するさらなる研究が必要であると考えられる。
BNPは神経ペプチドであり.そのアナログである心臓ナトリウム利尿ペプチドと同様に.強いナトリウム利尿作用と血管拡張作用を持ち.浮腫と頭蓋内圧を低下させて.脳灌流を改善させることができる。 BNPの脳への作用は.全身血管抵抗の減少.心拍出量の増加.収縮期脳灌流の増加の作用に起因すると考えられる。 Songは.リアルタイムPCR法とラジオイムノアッセイ法により.BMSCがin vitroで生理的に適切な量のBNPを分泌することを初めて確認し.移植されたBMSCが宿主脳内でBNPを分泌することを検出した。 そのため.脳組織に遊走・浸潤する前に有効な作用を発揮し.損傷した脳の機能回復を促進したと考えられる。
血管内皮増殖因子（VEGF）：VFGFは.血管新生と発生に関わるペプチドサイトカインで.新生血管の刺激と神経幹細胞の増殖促進という二つの作用を持ち.その中間の重要な枢要な役割を担っています。 Chenは.BMSCsと正常脳および虚血脳組織の抽出物を共培養し.虚血脳組織と共培養したBMSCsがVEGFを分泌することを発見した。虚血脳組織抽出物を10日間投与するとBMSCsによるVEGF分泌が有意に促進された。 この結果は.移植されたBMSCが脳卒中後の脳血管新生を促進し.機能回復を促進することを示唆するものである。
化学誘引因子：脳組織の虚血損傷後には.IL-8.細胞内接着分子1（ICAM-1）などの炎症性メディエーターやサイトカイン.マクロファージ炎症性タンパク質1（MIP-1）や単球走化性タンパク質1（MCP-1）などのケモカインが分泌されます。 BMSCは炎症細胞の性質を持ち.炎症細胞と同様に傷害を受けた組織を標的として.サイトカインに応答して選択的に傷害組織に移動し.神経栄養因子や神経ペプチドを介して傷害部位に治療効果を発揮します。
4.BMSCsの細胞間シナプス構造とそのシグナル伝達への影響
細胞は移植後に機能的な細胞単位になることができるのか？ 移植された細胞は.どのようにして宿主細胞とのシグナル伝達を確立するのでしょうか？ 移植された細胞と宿主の細胞がリンクしていることの形態的必然性を確認した文献はないのです。
正常な脳組織では.アストロサイトは神経細胞にエネルギー材料を供給するだけでなく.ギャップジャンクションタンパク質43（Cx43）を主体とするギャップジャンクションを介してアストロサイト間の細胞間経路のネットワークを形成し.カリウムや神経伝達物質濃度を調節することで.神経保護に重要な役割を担っています。 Gaoは.ヒトBMSCが可溶性因子を産生し.アストロサイト間のギャップジャンクションを介した細胞間結合を改善すること.Cx43の発現がこの改善と一致することを示し.BMSCはCx43レベルを上昇させることによってアストロサイトの結合を改善すると述べた。 Liは虚血後7日のラットにBMSCを移植し.処理群で軸索マーカーGAP-43が有意に増加することを見いだした 研究者らは.虚血領域のグリア細胞が移植片に反応することで.軸索の再生が促進されることを示唆している。
シナプス構造は.細胞間の伝達・情報伝達の重要な手段であり.シナプトフィジンはシナプス小胞の膜に存在し.Ca2+と結合することで神経伝達物質の放出.情報伝達.処理を引き起こす特異な多糖タンパク質である。 Wangは.免疫組織化学によって.BMSCs投与群では対照群と比較してシナプトフィジンが有意に増加していることを見出し.間接的にシナプス形成の存在を証明した。
BMSCをラットの脳虚血治療に適用したところ.虚血肢帯の軸索とミエリン鞘の厚みが有意に増加し.線条体の脳梁の面積と白質束の数が有意に増加し.アストロサイトの突起と虚血帯への配向が再形成されたことが確認されました。 著者らは.脳卒中のBMSCs治療は.ラットの神経学的回復.強化.軸索リモデリングに関連するオリゴデンドロサイトとアストロサイトの応答性を促進すると結論付けた。
5.BMSCsトランスジェニックベクターの役割
直角は単純ヘルペスウイルスをベクターとしてBMSCに線維芽細胞増殖因子2（bFGF-2）を導入し.ラットの脳梗塞24時間後に遺伝子導入細胞を移植し.治療群ではFGF-2の分泌が有意に増加し.ラットの脳梗塞のボリュームが有意に減少し行動機能も改善することを示しました。 その結果.治療群ではFGF-2の分泌が有意に増加し.梗塞の大きさが有意に縮小し.行動機能がより顕著に改善することが確認されました。
BDNFとレポーター遺伝子GFPをBMSCに導入し.脊髄損傷動物モデルに移植したところ.この細胞は宿主でBDNFを高レベルで発現するだけでなく.損傷部位の宿主軸索の成長を促進し.移植片は宿主でNGFとNT-3の分泌を増加させることができました。
6.アウトルック
生物学的療法は.薬物療法に続く新たな疾患治療の手段です。 造血幹細胞は40年以上前から血液疾患の臨床治療に用いられているが.非造血幹細胞の臨床応用は数回に渡って変動している。 近年.幹細胞治療の認知度が高まり.多能性を持つBMSCの発見により.幹細胞治療が活性化されています。 これによって.アプリケーションの未来が見えてきました。
脳虚血の治療におけるBMSCの役割は.数多くの研究データによって正確に確認されており.大きな毒性や副作用は報告されていませんが.細胞治療の長期的な安全性については.まださらなる検証が必要です。 現在の基礎研究の焦点と難しさは.BMSCの細胞治療メカニズム.例えば.移植後に細胞が無限に生存・増殖できるのか.などである。 移植された細胞とその子孫は.生体内で機能的な細胞集団なのか？ 移植された細胞と宿主の細胞は.構造的につながっているのでしょうか？ この構造的なつながりの機能は何か.など。最近盛んに言われている神経栄養説は.最終的にどの栄養因子が原因なのか？ この栄養補給に大きな役割を果たしているのは.移植された細胞なのか.それとも宿主なのか。 つまり.客観的に見れば.BMSCsによる脳虚血治療の臨床への道は.有望ではあるものの.まだ険しいと言えるでしょう。 細胞治療のメカニズムを解明するためには.まだまだ基礎研究.前臨床研究が必要です。