新しい研究により、トカゲが折れた尻尾を再生する仕組みの謎が解明されました。将来、人間の軟骨は修復できるのでしょうか？

トカゲは、哺乳類の近縁種である両生類やサンショウウオの再生能力を保持する唯一の有羊膜類であり、再生可能な付属肢（尾）と再生不可能な付属肢（四肢）を同じ動物に兼ね備えた唯一の成体脊椎動物である。これは、再生生物学を研究する科学者にとって非常に強力な動物モデルです。

アノールトカゲは南北両方の温暖な地域に分布しています。画像出典: Wikipedia

案の定、その小さなトカゲは期待通りの姿を見せました。 2023年8月10日、再生の分野に多大な貢献を果たしました。南カリフォルニア大学の研究者らは、これらの結果をネイチャー・コミュニケーションズ誌に発表した。この発見は、損傷した軟骨を再生する方法を理解するのに役立つでしょう。次に、トカゲが軟骨を再生する仕組みについて見てみましょう。

南カリフォルニア大学の研究者らはトカゲの軟骨再生を分析した論文を発表した。画像出典: Nature Communications 誌公式サイト

トカゲの再生した尾にはどんな細胞がありますか?

トカゲの尾の再生過程におけるさまざまな状態の複雑性と細胞の異質性を研究するため、科学者らはさまざまな再生段階（元の尾、炎症段階、再生芽段階、再生定常状態）のトカゲの尾の単一細胞RNA配列決定を行い、in situハイブリダイゼーションと組織学的検証を通じて、免疫細胞や線維芽細胞結合組織細胞など、さまざまな細胞を特定しました。

トカゲの尾の再生に関する単一細胞シーケンスのクラスタリング結果。画像出典：参考文献[1]より改変

興味深いことに、線維芽細胞結合組織細胞は芽体段階で著しく増加しました。さらに、擬似時間軌跡解析により、多くの芽体線維芽細胞がオステオポンチン（spp1）を発現し、これらの線維芽細胞の一部（すべてではない）が尾の再生中にスルファターゼ1（sulf1）を発現し続け、その後sox9陽性軟骨細胞になり、軟骨を形成することが示されました。

トカゲの尾の再生のさまざまな段階におけるさまざまな細胞の割合。画像出典：参考文献[1]より改変

軟骨再生の原動力：Hhシグナル伝達

科学者らはこれまでに、ヘッジホッグ（Hh）シグナル伝達が芽軟骨形成を誘導する重要なシグナルであり、sulf1 が他のシステムで Hh シグナル伝達によって制御されていることを発見している。この新しい研究で、研究者らは、sulf1 がトカゲの尾の切断における Hh シグナル伝達に対しても非常に敏感であることも発見しました。

両者の関係をさらに確認するため、研究者らは、異なる再生段階にあるドナートカゲの尾から線維芽細胞を分離し、ラベルを付けて、Hh活性剤を投与したレシピエントトカゲの尾の再生芽に注入した。

移植後14日目に、研究者らは移植されたsulf1陽性芽体線維芽細胞のほとんどが軟骨形成に関与していることを発見した。これは、芽細胞線維芽細胞が Hh 刺激に反応して軟骨を形成する独自の能力を持っていることを示唆しています。その後の研究では、切断された手足の sulf1 陰性線維芽細胞結合組織細胞にはこの能力がないことも判明しました。

異なる再生段階における線維芽細胞の軟骨再生能力の試験（画像出典：参考文献[1]より改変）

線維芽細胞と結合組織細胞の良きパートナーである隔壁細胞

研究者たちは、再生中のトカゲの尾の単一細胞配列を解析する過程で、哺乳類の骨格の発達と治癒を制御する周皮細胞に由来する貪食細胞である隔壁細胞の集団を発見した。

さらに、新たな研究では、それが芽体形成中に尾部でピークに達し、sulf1陽性芽体線維芽細胞結合組織細胞の集団に局在していることがわかった。これは、隔壁細胞と再生芽細胞の状態の間に一定の関係があることを示唆しています。

隔壁破壊細胞は、sulf1陽性芽細胞線維芽細胞のクラスター内に出現する（画像出典：文献[1]より改変）

2種類の細胞の関係を解明するために、研究者らはクロドロネートリポソームを使用して、トカゲの切断された尾の食細胞集団を人工的に減少させた。結果は、Hh シグナルに反応して軟骨を形成する線維芽細胞結合組織細胞の能力が低下したことを示しました。これは、トカゲの芽細胞の線維芽細胞が Hh シグナルの刺激を受けて軟骨を形成しようとする場合、良きパートナーである食細胞群の助けも必要であることを示しています。

芽細胞線維芽細胞のHh応答性の隔壁細胞への依存性の試験（画像出典：文献[1]より改変）

隔壁細胞から分泌される因子 - 「腐敗を魔法に変える」

軟骨再生には隔壁細胞が必要なので、食細胞を人工的に枯渇させた後、隔壁細胞がトカゲの尾の再生芽細胞の軟骨形成能を回復させることができるでしょうか?

この疑問に答えるために、研究者らはマクロファージ調整培地（M-CM）と隔壁調整培地（S-CM）を収集して濃縮し、それらに浸したアルギン酸ビーズを、クロドロネートリポソームとHh活性化剤を併用処理したトカゲの尾の切り株に移植した。

結果は、Hh活性化因子と調整培地を併用処理した尾でのみsulf1陽性細胞が検出されたことを示しており、トカゲの隔壁細胞から分泌されるエネルギー因子が芽体の形成を助け、腐敗を魔法に変えることができることを示しています。

隔壁細胞から分泌される因子が尾部断裂芽の形成を救済できるかどうかをテストする（画像出典：参考文献[1]より改変）

さらに、研究者たちはトカゲの四肢で上記の実験を繰り返した。結果は、もともと隔壁細胞を欠いていた切断された手足は、外因性の隔壁細胞分泌因子の追加により実際に軟骨を再生できることを示しました。

人間の軟骨再生はどのくらい近づいているのでしょうか?

この時点で、科学者たちはついにトカゲの尾の軟骨がどのように再生するかを解明しました。尾にある休止状態の線維芽細胞が、spp1 などの線維芽細胞結合組織細胞のマーカー遺伝子を発現することで切断損傷に反応します。マクロファージの浸潤とマクロファージ分泌因子のシグナル伝達の後、損傷した線維芽細胞結合組織細胞は切断部位に移動します。

トカゲの尾は切断損傷後に隔壁細胞の集団を発達させ、線維芽細胞結合組織細胞の Hh 感受性の増加につながります。隔壁細胞分泌因子にさらされた線維芽細胞性結合組織細胞は、spp1 発現を維持し、上衣細胞によって生成された shh による刺激を受けて sulf1 および sox9 を発現します。この空間パターンは、最終的に芽体の上衣管周囲に軟骨形成をもたらします。

隔壁細胞が存在しない場合、四肢線維芽細胞結合組織細胞は spp1 発現を維持できず、Hh シグナルに反応しません。外因性 Hh シグナル伝達が追加されても、切断された四肢の線維芽細胞結合組織細胞は sulf1 を発現せず、軟骨も形成せず、代わりに瘢痕を形成しました。

トカゲの尾の再生メカニズムの図解（画像出典：文献[1]より改変）

現時点では、哺乳類、あるいは人間における奇跡的な軟骨再生を再現することを楽しみにしていますか?はい、科学者たちはまずマウスを使って、哺乳類が損傷した軟骨を再生できるかどうかをテストし、潜在的なリスクを回避するためにさらなる研究と検証を行う予定です。結局のところ、トカゲと人間の生物学的システムには違いがあり、この技術を人間にうまく適用するにはまだ多くの課題があります。

結論

人間の軟骨組織、特に関節軟骨は一度損傷すると再生できなくなることが多く、関節炎などの病気を治すのが難しくなります。人類がトカゲ軟骨再生のメカニズムを学び、新たな治療法を開発することができれば、関節軟骨疾患の治療が大きく改善され、患者に新たな希望をもたらすことが期待されます。

参考文献

[1]Vonk ACら、トカゲ芽細胞線維芽細胞の単一細胞解析により、食細胞依存性のヘッジホッグ応答性軟骨形成活性化が明らかになった。ナショナルコミュニオン2023年8月10日;14(1):4489.

企画・制作

中国科学普及協会制作

著者: 李玉環吉林大学

プロデューサー丨中国科学博覧会

編集者｜ヤン・ヤピン