創薬イメージングプロジェクト

1．メンバー

招へいプロジェクトリーダー	石井優
招へい副プロジェクトリーダー	菊田順一
協力研究員	内田穣※1、山下英里華※1、粟生智香※2、興地史江※1
技術補助員	川﨑真美

※1 大阪大学大学院医学系研究科/生命機能研究科　免疫細胞生物学教室
※2 大阪大学医学部保健学科、再生誘導医学協働研究所

2．研究目的・背景

　動物にとって、生きているとは動き続けるということです。生体内で細胞は常に動き続けているが、彼らの複雑な動きは極めて巧妙に制御されており、必要なときに必要な場所へ移動して、相互作用を行うことで免疫システムが保たれています。特に、免疫・血液系の細胞は体中を巡り、臓器から臓器，組織から組織へと渡り歩くことで、各臓器・組織の機能連関が維持されています。これが破綻することで、生活習慣病やがんを始めとして様々な病気が引き起こされる。当プロジェクトでは、免疫細胞社会の動的ネットワークに焦点を当てて、その動きによってつながれて、制御されている、臓器・組織の統合性を維持する基本原理を解明し、これを制御する画期的な創薬へとつなぐことを目指しています。加えて、本プロジェクトでは世界に先駆けて開発・応用してきた生体イメージング技術をさらに発展させ、世界的にも特徴ある新技術による新創薬研究「創薬イメージング」の確立を目指します。

3．研究内容

3-1．世界的にも独自の「骨の中の生きたままでのイメージング系」を駆使した新しい研究展開

　骨は極めて硬い組織で光をほとんど透過させないので、生きたままの状態で内部を観察することは不可能であると考えられてきました。これまでの骨の研究では、骨を取り出して、固いナイフで薄く切って組織標本にして観察していました。当然ですが、このようにして解析すると、細胞の形は残っていますが、すでに死んでいるので動きません。当教室では、２光子励起顕微鏡という特殊な光学顕微鏡をうまく利用することにより、骨の内部・骨髄腔を生きたままの状態で観察すること（＝骨髄腔内の「非破壊検査」ですね）に世界に先駆けて成功しました。これによって、今まで謎めいていた骨髄の中の生命現象が、手に取るようにリアルに分かってきました。
　一例として、炎症のときに骨を壊したり、通常の状態では古い骨を吸収して骨質のリモデリング（新陳代謝）に役割を果たしている破骨細胞に関して紹介します。この細胞は元々血液中のマクロファージ系由来の細胞で、これが骨表面に到達して「骨を食べるのに特化したマクロファージ」となったものです。骨髄内を生きたままでイメージングできるようになったことで、この「マクロファージが骨に到達するメカニズム」や「骨の表面で実際に骨を破壊するメカニズム」を、実体的に解析することができました。より具体的には、破骨細胞になるマクロファージの骨の中での動きは、生理活性脂質の１つであるスフィンゴシン１リン酸（S1P）という物質によって巧妙に調節されていることを発見しました。さらに、最近では昔から骨を強くすることが知られていましたが、そのメカニズムがよく分かっていなかったビタミンDが、S1Pによる破骨細胞の動きを調節することによって骨破壊を抑制することを発見しました。また、破骨細胞が実際に骨を壊す様子の可視化に世界で初めて成功し、骨の破壊には破骨細胞の数だけではなく、機能状態の調節が重要であることを明らかにしました。
　骨の中は様々な免疫細胞・血液細胞が誕生し、分化して機能する場であります。また、転移性のがん細胞の隠れ場所でもあります。骨の中を生きたままで解析することで、免疫学・血液学のみならず様々な生命科学の分野において今後も様々な研究成果が期待されます。

3-2．免疫細胞は広い体の中でどうやって動いていくのか？働いているのか？

　免疫とは、異物の侵入に対抗してそれらを排除しようとする体の応答です。免疫系では、全身をくまなくパトロールする好中球やマクロファージと、細胞性免疫を担うリンパ球が、リンパ組織間内の適切な微小環境で会合し、互いに情報交換することにより、正常な機能が維持されています。これらの細胞動態は時空間的にとても精緻にコントロールされており、各細胞が適切な場所に適切な時間に存在しなければ、十分な機能を発揮できないようになっています。これらの高度に統率された細胞動態ネットワークは、神経系での固定した軸索ネットワーク（"hard-wired"）と比較して、"soft-wired"と形容されます。こういった動的な系の解析には、生体多光子励起イメージングが大きく役立ちます。私達の研究室では、リンパ球やマクロファージが情報交換をする「リンパ節」や「脾臓」、外界との最前線である「皮膚」「消化管」「肺」のイメージングに挑戦し、定常状態や炎症刺激時に、各免疫細胞がどのような動態を示すかを解析しようとしています。まさにSeeing is believingであり、見ることにより思いもよらないような発見が期待されます。私たちの研究室では、種々のイメージング技術を用いて、抗原提示（樹状細胞やマクロファージとリンパ球の情報交換）の現場や、皮膚や肺・腸をマクロファージがパトロールする様子を生きたままの状態で可視化することに成功しています。これらの方法論により、免疫・炎症細胞の織りなす社会活動のダイナミクスを制御する基本原理を解明すべく、研究に取り組んでいます。

3-3．がんはどのようにして浸潤・転移していくのか？再発するがんはどこにいるのか？

　がんは怖い病気です。体の中にできた異物がどんどん増殖していって、その結果ホストを殺してしまいます。特に怖いのは、できた場所から奥の方に入って行って（浸潤）、リンパや血液の流れに乗って、遠い組織へ転移することです。がん細胞がどうやって動いているのか、これもやはり「生体多光子励起イメージング」がパワーを発揮します。また、がんで怖いのは再発です。ある固形がんの場合、原発巣を外科的に取ったり、抗がん剤で十分やっつけて、「がんがなくなった」と喜んでいても、５年後・１０年後にどこかで再発することがあります。このようなとき、生き残ったがんはどこに潜んでいるのでしょう？最近、「がん幹細胞」という考え方がポピュラーとなっています。がんの中にあるがん幹細胞が、抗がん剤治療にも抵抗性を示し、長い期間の後の「再発」にも関与していると考えられています。このがん幹細胞がどこにいるのか、どんな環境（ニッチと言います）で支えられているのか、これも「生体多光子励起イメージング」で明らかにしたいと考えています。
　さらに私たちの研究室では、がん細胞が実際に正常組織内に浸潤する様子を動的に可視化することで、浸潤能を制御する新規因子の同定に成功しています。現在、この分子を制御することでがんの浸潤・進行を抑制する新たな治療薬の開発に向けて、研究を進めています。

3-4．「イメージング研究」の次なる目標　～技術革新，数理システム化，ヒトへの応用～

　最近、イメージング研究は大きなブームとなっています。これまで見えなかったものを見るというのはそれだけでも大きな価値のあることです。特に、生きたままの体の中を見ることは、「ミクロの決死圏（私の世代よりもずっと前の古い映画）」の世界のような楽しさがあります。しかしながら、私達研究者としては、いつまでも「見えるものをただ見ている」だけでは進歩がありません。イメージングが進歩しても、まだまだ見えないものがたくさんあります。そこで当研究室ではイメージング技術を改良することにより、いまはまだ見ることができない現象を、見えるようにしたいと考えています。例えば、現在の生体イメージング技術では、生きた細胞の「動き」を見るのみですが、細胞は必要なところに動いて行って、そこで特殊な機能をもった細胞へと「分化・成熟」します。この過程は、かならずしも細胞の動きを伴わないことがあるので、イメージングをすることが難しいのですが、当研究室はちょっとした「仕掛け」を使って、細胞の分化・成熟を生体内で可視化することに挑戦しています。また、イメージング研究では、注目する生命現象について多くの精緻な数値データを得ることができます。当研究室では、これらの数値データを元に、細胞社会動態の数理モデルを作成することで、複雑な免疫細胞動態システムをコンピューター上に再構成することを目指しています（In silico cell dynamic network）。