幹細胞の概要
幹細胞は、さまざまな種類の細胞に成長することができる特別な人間の細胞です。これは、筋肉細胞から脳細胞まで多岐にわたります。場合によっては、損傷した組織を修復することもできる。研究者たちは、幹細胞を使った治療法が、麻痺やアルツハイマー病といった深刻な病気の治療に使われる日が来るかもしれないと考えています。
研究者たちは、幹細胞を使った治療法が、麻痺やアルツハイマー病のような深刻な病気の治療に使われる日が来るかもしれないと考えています。幹細胞は、新しい治療法として大きな期待が寄せられています。
幹細胞は体の原材料であり、特殊な機能を持つ他のすべての細胞がそこから生成される細胞です。体内や実験室での適切な条件下で、幹細胞は分裂して娘細胞というより多くの細胞を形成します。
これらの娘細胞は、新しい幹細胞か、血液細胞、脳細胞、心筋細胞、骨細胞など、より特定の機能を持つ特殊な細胞となります。幹細胞以外の体内の細胞は、新しい種類の細胞を生成する自然な能力を持ちません。
体内の細胞は特定の目的を持っていますが、幹細胞はまだ特定の役割を持たない細胞で、必要な細胞であればほとんどどんな細胞にもなることができます。
幹細胞は未分化な細胞で、体が必要とする特定の細胞に変化することができます。
科学者や医師が幹細胞に関心を持つのは、体の機能の一部がどのように働き、どのように機能不全に陥るかを説明するのに役立つからです。
また、幹細胞は、現在治療法のない病気の治療にも役立つと期待されています。
幹細胞の種類
幹細胞は、主に成人の体の組織と胚の2つのソースから発生します。また、研究者たちは、遺伝子の「リプログラミング」技術を使って、他の細胞から幹細胞を開発する方法についても研究しています。
幹細胞は、大きく分けて次の2つの形態に分けられます。
- 成体幹細胞
- 胚性幹細胞（Embryonic Stem Cells）
成体幹細胞。成体幹細胞には2種類あります。一つは、脳、皮膚、骨髄など、完全に発達した組織から採取されるものです。これらの組織には、ごく少数の幹細胞しか存在しません。そのため、特定の種類の細胞のみを生成する可能性が高くなります。例えば、肝臓に由来する幹細胞は、より多くの肝臓の細胞を作るだけです。
人の体には、生涯を通じて幹細胞が存在します。身体は、必要なときにいつでもこれらの幹細胞を使用することができます。組織特異的幹細胞や体性幹細胞とも呼ばれる成体幹細胞は、胚が発生したときから体中に存在しています。
これらの細胞は非特異的な状態にありますが、胚性幹細胞よりも特殊化されています。例えば、皮膚や筋肉の細胞として、体が特定の目的で必要とするまでは、この状態のままです。
日々の生活の中で、身体は常に組織を更新していることになります。腸や骨髄など体の一部では、幹細胞が定期的に分裂して、体の維持や修復のための新しい組織を作り出しています。
幹細胞は、さまざまな種類の組織の中に存在しています。科学者たちは、以下のような組織で幹細胞を発見しています。
- 骨髄
- 脳
- 血液・血管
- 肝臓
- 骨格筋
- 肌
しかし、幹細胞は見つけるのが難しいものです。幹細胞は、体が新しい組織を修復したり成長させたりするために呼び出すまで、何年も分裂せず、非特異的なままであることがあります。
成体幹細胞は、無限に分裂し、自己再生することができます。つまり、元となる臓器から様々な種類の細胞を生成したり、元となる臓器を完全に再生することも可能です。
この分裂と再生によって、皮膚の傷が治ったり、肝臓のような臓器が損傷した後に自己修復することができるのです。
かつて科学者たちは、成体幹細胞は自分の出身組織に基づいてしか分化できないと信じていました。しかし、現在では、幹細胞は他の種類の細胞にも分化できることを示す証拠がいくつか見つかっています。
この種の幹細胞は、人工多能性幹細胞で、実験室で胚性幹細胞に近い状態に変化させたものです。2006年、科学者たちは、ヒトの幹細胞をこのように変化させることができることを初めて報告しました。人工多能性幹細胞は胚性幹細胞と変わらないように見えますが、科学者はあらゆる種類の細胞や組織を発達させることができるものをまだ見つけられてはいません。
胚性幹細胞。今日、研究に使われている胚性幹細胞は、未使用の胚から採取されたものです。胚性幹細胞は、体外受精の結果生まれたものです。これらの胚は、科学に寄付されます。これらの胚性幹細胞は、多能性を持っています。つまり、複数の種類の細胞に変化することができるのです。
精子が卵子と受精した後、妊娠の最も早い段階から胚が発生します。精子が卵子と受精してから約3～5日後、胚盤胞（はいばんほう）という細胞の玉のような形をした胚が誕生します。
胚盤胞には幹細胞が含まれており、後に子宮内に着床します。胚性幹細胞は、生後4～5日目の胚盤胞から採取されます。
科学者が胚から幹細胞を採取する場合、通常は体外受精（IVF）の結果生まれた余分な胚を使用します。体外受精のクリニックでは、医師が試験管の中で複数の卵子を受精させ、少なくとも1つは生き残るようにします。その後、限られた数の卵を移植し、妊娠を開始します。
精子が卵子と受精すると、これらの細胞は結合して接合子と呼ばれる1つの細胞を形成する。この単細胞の接合体が分裂を始め、2個、4個、8個、16個……と細胞を形成していきます。この段階で胚と呼ばれるようになります。
やがて、胚が子宮に着床する前の、約150～200個の細胞の塊が「胚盤胞」です。胚盤胞は2つの部分から構成されています。
- 胎盤の一部となる外側の細胞塊
- 人体に発展する内側の細胞塊
胚性幹細胞が存在するのは、内側の細胞塊です。これは、全能性細胞として知られています。全能性とは、体内のあらゆる細胞に成長する可能性を持っていることを意味します。
適切な刺激を与えれば、血液細胞や皮膚細胞など、体が必要とするあらゆる種類の細胞になることができます。
妊娠初期には、胚盤胞の段階が5日ほど続き、胚が子宮に着床します。この段階で、幹細胞は分化を開始します。胚性幹細胞は、成体幹細胞よりも多くの細胞種に分化することができます。
間葉系幹細胞(MSC)
MSCは、身体の臓器やその他の組織を取り囲む結合組織や間質から生まれます。
研究者はMSCを使って、骨、軟骨、脂肪細胞などの新しい人体組織を作り出しています。私たち人間が直面するさまざまな健康問題を解決する役割を果たす日が来るかもしれません。
人工多能性幹細胞（iPS)
科学者たちは、皮膚細胞やその他の組織特異的な細胞を使って、研究室でこの種の細胞を作ります。これらの細胞は胚性幹細胞と似たような挙動をするので、さまざまな治療法の開発に役立つと思われます。しかし、これらを効果的に使用するためには、より多くの研究開発が必要です。
幹細胞を培養するには、まず成人の組織や胚からサンプルを採取します。そして、これらの細胞を制御された培養槽に入れ、細胞分裂と生殖を行いますが、それ以上特殊化しないようにします。制御された培養環境で分裂・繁殖している幹細胞は、幹細胞株と呼ばれます。
研究者は、さまざまな目的のために幹細胞株を管理し、共有しています。研究者たちは、幹細胞を刺激して、特定の方法で特殊化させることができます。このプロセスは、指向性分化と呼ばれています。
これまで、胚性幹細胞を大量に培養することは、成体幹細胞よりも簡単でした。しかし、科学者たちは、両方の細胞タイプで進歩を遂げています。
幹細胞の分類
研究者は、幹細胞を、他の種類の細胞に分化する可能性によって分類しています。
胚性幹細胞は、体内のあらゆる種類の細胞になることができるため、最も強力な幹細胞です。
完全な分類は以下の通りです。
全能性（Totipotent）。これらの幹細胞は、ありとあらゆる細胞種に分化することができます。接合体が分裂を始めると最初に現れる数個の細胞が全能性である。
多能性（Puripotent）。ほぼすべての細胞に分化することができる細胞。初期胚の細胞は多能性である。
多能性（Multipotent）。これらの細胞は、密接に関連した細胞群に分化することができます。例えば、成人の造血幹細胞は、赤血球や白血球、血小板になることができます。
オリゴポテント。いくつかの異なるタイプの細胞に分化することができます。成人のリンパ系幹細胞や骨髄系幹細胞は、このような分化をすることができます。
単能性：1種類の細胞しか作れない。一能性：一種類の細胞（自分の細胞）しか作れない。しかし、自己更新が可能なため、幹細胞であることに変わりはありません。例えば、成人の筋肉幹細胞などです。
胚性幹細胞は、胚外膜や胎盤の一部になることができないため、全能性ではなく多能性とみなされます。
幹細胞の用途
科学者たちは、幹細胞には多くの可能性があると見ています。幹細胞はいくつかの理由で重要です。適切な刺激を与えれば、多くの幹細胞はあらゆる種類の細胞の役割を担うことができ、適切な条件下で、損傷した組織を再生することができます。
この可能性により、病気や怪我をした人の命を救ったり、傷や組織の損傷を修復したりすることができます。
組織再生
組織再生は、幹細胞の最も重要な利用法であろう。
これまでは、例えば新しい腎臓を必要とする患者は、ドナーを待って移植を受けなければならなかった。しかし、幹細胞に一定の分化をさせることで、特定の組織や臓器を再生させることができるのです。
例えば、医師はすでに皮膚表面のすぐ下にある幹細胞を使って、新しい皮膚組織を作っています。この組織を損傷した皮膚に移植することで、重度の火傷やその他の損傷を修復し、新しい皮膚を再生させることができるのです。
心血管系疾患の治療
2013年、マサチューセッツ総合病院（MHG）の研究チームは、ヒト幹細胞を使って実験用マウスに血管を作ったことをPNAS Early Editionに報告した。
幹細胞を移植してから2週間で、血液が充満した血管のネットワークが形成されました。この新生血管の質は、近くにある天然の血管と同程度であった。
著者らは、このような技術が、いずれは心血管疾患や血管疾患を持つ人々の治療に役立つことを期待している。
脳疾患治療
パーキソン病やアルツハイマー病などの脳の病気を治療するために、医師が代替の細胞や組織を使えるようになる日が来るかもしれません。
例えば、パーキンソン病では、脳細胞の損傷が筋肉の制御不能な動きを引き起こす。科学者たちは、幹細胞を使って、損傷した脳組織を補充することができる。そうすれば、制御不能な筋肉の動きを止める特殊な脳細胞が戻ってくるかもしれない。
研究者たちはすでに、胚性幹細胞をこの種の細胞に分化させることを試みており、治療は有望である。
細胞欠乏症の治療法
研究者たちは、いつの日か実験室で健康な心臓細胞を開発し、心臓病の人に移植できるようになると期待しています。
この新しい細胞は、健康な組織で心臓を再増殖させることによって、心臓の損傷を修復することができる。
同様に、I型糖尿病の人は、自分の免疫システムが失ったり破壊したりしたインスリン産生細胞の代わりに、膵臓の細胞を受け取ることができる。
現在の治療法は膵臓移植のみですが、移植可能な膵臓はごくわずかです。
血液疾患の治療法
現在、医師は白血病、鎌状赤血球貧血、その他の免疫不全症などの病気の治療に、成人造血幹細胞を日常的に使用しています。
造血幹細胞は血液や骨髄に存在し、酸素を運ぶ赤血球や病気と闘う白血球など、あらゆる種類の血球を作り出すことができる。
幹細胞療法（再生医療）について
幹細胞療法は、再生医療とも呼ばれます。幹細胞やその誘導体を用いて、病気や機能不全、傷ついた組織の修復反応を促進するものです。臓器移植の新時代といわれ、供給が限られているドナー臓器の代わりに細胞を使用します。
科学者たちは、研究室で幹細胞を育てます。この幹細胞を操作して、心筋細胞、血液細胞、神経細胞など、特定の種類の細胞に特化させる。
そして、その特殊化した細胞を患者さんに移植することができるのです。例えば、患者さんが心臓病を患っている場合、その細胞を心臓の筋肉に注入することができます。移植された健康な心筋細胞は、傷ついた心筋の修復に貢献することができます。
幹細胞移植では、幹細胞が化学療法や病気によって傷ついた細胞の代わりとなり、白血病、リンパ腫、神経芽腫、多発性骨髄腫など、ある種のがんや血液関連疾患に対抗するために、提供者の免疫系に働きかける役割を果たします。このような移植には、成体幹細胞や臍帯血などが使われます。
科学者たちは、心臓に似た細胞になるように誘導された成人の骨髄細胞が、患者の心臓組織を修復することをすでに示しており、さらなる治療法を見つけるためにさらなる研究が進められている。
胚性幹細胞を使用する際に起こりうる問題点
科学者は、幹細胞が特定の細胞種に分化して役に立つことを確信しなければなりません。科学者たちは、幹細胞を特定の細胞に分化させる方法を発見しました。例えば、胚性幹細胞を心臓の細胞に分化させる方法です。この分野では、新たな展開に向けてさらなる研究が進められています。
胚性幹細胞は、不規則に成長したり、自発的に異なる細胞種に特化したりすることもあります。研究者たちは、胚性幹細胞の成長と分化を制御する方法を研究しています。
胚性幹細胞はまた、免疫反応を引き起こし、レシピエントの体が幹細胞を外敵として攻撃する可能性もありますし、幹細胞が単に期待通りに機能せず、未知の結果をもたらすかもしれません。科学者たちは、これらの可能性のある合併症を回避するための研究を続けています。
治療用クローンの利点
治療用クローンとは、体細胞核移植とも呼ばれ、受精卵から独立して万能の幹細胞を作る技術である。この技術では、未受精卵から核が取り出される。この核には遺伝物質が含まれています。また、ドナーの細胞から核を取り出します。
このドナーの核は、核移植と呼ばれるプロセスで、取り除かれた核の代わりに卵子に注入されます。卵は分裂し、やがて胚盤胞を形成します。この過程で、ドナーの細胞と遺伝的に同じ幹細胞、要するにクローンが作られるのです。
クローン細胞はドナーに移植しても拒絶されにくいため、受精卵から得た幹細胞よりも治療用クローン細胞から得た幹細胞の方がメリットがあると考える研究者もいますし、病気の発症を正確に知ることができるかもしれません。
幹細胞の使用に関する論争
幹細胞研究については、いくつかの論争があります。これは主に胚性幹細胞に関する研究です。
胚性幹細胞は、体外受精クリニックで卵子と精子を受精させたときにできる細胞群である初期胚から得られる。ヒト胚性幹細胞はヒトの胚から抽出されるため、胚性幹細胞研究の倫理についていくつかの疑問や問題が提起されてきた。
米国国立衛生研究所は、2009年にヒト幹細胞研究に関するガイドラインを作成しました。このガイドラインでは、胚性幹細胞の定義と研究への利用方法、胚性幹細胞の提供に関する推奨事項が記載されています。
また、体外受精によって作られた胚からの胚性幹細胞は、その胚が不要になった場合にのみ使用することができると、ガイドラインに記載されています。
幹細胞のための胚の使用について
胚性幹細胞を使うことに反対する論拠は、ヒトの胚盤胞を破壊してしまい、受精卵が人に成長できないことです。現在、研究者は胚を使わない幹細胞の作り方や使い方を模索しています。
ヒトと動物の混血
幹細胞の研究では、マウスやラットなどの動物に人間の細胞を挿入することがよくあります。これによって、人間の一部である生物が作られる可能性があると主張する人もいます。
国によっては、胚性幹細胞株の作製が違法とされています。米国では、科学者が胚性幹細胞株を作ったり、それを使って研究したりすることは可能ですが、2001年8月以降に作られた幹細胞株の研究に連邦政府の資金を使うことは違法とされています。
幹細胞療法とFDAの規制
すでに、アンチエイジング治療など、さまざまな目的で「幹細胞治療」を行う人がいます。
しかし、これらの用途のほとんどは、FDA（米国食品医薬品局）の承認を受けていません。また、その中には違法なものもあり、危険なものもあります。
幹細胞治療を検討している人は、その製品が承認を受けているか、安全性と有効性に関するFDAの基準を満たす方法で作られたものであるかを、医療機関やFDAに確認する必要があります。
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