はじめに

発生学、幹細胞学、組織工学技術など様々な研究分野の数々の進歩により、再生医療は容易になりました。 再生医療の第一世代は、組織由来の幹細胞、胚性幹（ES）細胞、人工多能性幹（iPS）細胞などを用いた幹細胞移植療法である。 例えば、白血病や低形成性貧血の治療には、すでに骨髄移植が一般的になっています。 また、白血病、パーキンソン病やアルツハイマー病、心筋梗塞、糖尿病、肝疾患など、多くの病気やケガに対して、ES細胞やiPS細胞の臨床試験が始まっている。 組織再生は再生医療の第二世代と位置づけられ、皮膚や軟骨などいくつかの製品がすでに市場に出ている。 さらに、加齢黄斑変性症を治すために、患者または匿名ドナー由来のiPS細胞を用いた世界初の組織再生治療が臨床試験で検討されています。 この10年間で、幹細胞生物学と発生生物学の分野の進歩は、機能的な臓器を再生する新しい機会を提供しました。 胚発生の過程で、臓器は、個々の臓器形成分野に応じて、運命的に決定された上皮性幹細胞と間葉性幹細胞の相互作用によって誘導されるそれぞれの臓器原基から発生する（図1a） 。 2007年、胚性器胚から分離した上皮性幹細胞と間葉性幹細胞を用いて、器官誘導能を有するバイオエンジニアリング器官胚を作製する新しい細胞操作法を開発し、機能的器官再生を初めて実現しました（図1b）。 この先駆的な研究とその後の研究により、複数の種類の外胚葉性器官が完全に機能的に再生されることが報告され、機能的器官再生の概念を裏付ける証拠となりました。 胚の器官形成と器官再生のアプローチを模式的に示す。 (a)器官形成の模式図。 器官形成野の確立、上皮と間葉の相互作用による器官原基の形成、形態形成を経て、機能的な器官が形成される。 (b) 器官誘導能を有する胚性運命決定上皮・間葉系幹細胞を用いて器官原基形成を模倣し、外胚葉性器官を完全に機能的に再生させるスキーム。 (c)多能性幹細胞から発生した細胞塊に器官形成野を形成させることを再現したオルガノイド発生の模式図

次のパラダイムシフトは、2008年にES細胞やiPS細胞などの多能性幹細胞や組織幹細胞から生じた細胞塊に器官形成野を誘発させて生成するオルガノイドの発見である（図1c）。 大脳皮質、下垂体、視蓋、内耳などの中枢神経系を含む、ほぼすべての種類のオルガノイドを作製することができる（図1c）。 オルガノイドの出現は、基礎生物学や臨床応用に不可欠な技術的ブレークスルーであるが、オルガノイドはまだ元の臓器の構造や機能を部分的にしか再現できていない。 したがって、これまでに作製された単一のオルガノイドの大半は、完全な臓器の限られた、あるいは部分的な機能を代替することができ、したがって、現在ではミニ臓器と見なされている。 最近、唾液腺オルガノイドの開発に成功し、同所移植により完全に機能する臓器再生が実証されました。 外胚葉性臓器の発生原理は他の臓器と類似しているため、他の臓器を完全に機能的に再生するためには、外胚葉性臓器の再生について深く理解することが重要である（図1a）。 さらに、in vivoオルガノイド法を用いた外皮臓器系（IOS）の再生は、臓器系再生の可能性を明確に示した。

このレビューでは、発生生物学と幹細胞生物学をベースに、様々な幹細胞集団と戦略を用いた臓器再生に関する最近の進展を述べ、次世代の臓器再生医療としての臓器置換療法の将来の方向性について議論する。

胚細胞を用いた三次元細胞操作法「器官胚芽法」の開発

研究者は数十年にわたって、機能細胞、足場材料、生理活性物質を組み合わせて組織工学的手法で臓器を再生することを試みてきた． これらの先行研究は、臓器再生に向けて一定の貢献をしたものの、臓器誘導の効率が低いこと、再生された臓器の方向や大きさが制御できないことなど、これらの研究から得られた知見に関してかなりの懸念が存在している。 幹細胞や発生生物学の進歩に伴い、胎児期における器官形成の再現は過去30年の間に進歩している。 器官再生の発生過程は、初期発生におけるボディプランの確立後に形成される器官野の上皮間葉相互作用による器官原基の誘導から始まる。 器官原基の再生を目指した細胞操作技術が長年開発されてきたが、機能的な器官の発生・再生を完全に再現することはできなかった。

我々は、発生初期の上皮・間葉相互作用による器官原基の誘導を再現する生物工学的手法（器官原基法）を開発した。 マウス胚から分離した上皮細胞と間葉系細胞をI型コラーゲンゲルの中に高密度に区画化し、器官形成の過程を精密に再現することを試みた。 この新しい方法を用いて、歯、毛包、分泌腺など、複数の種類の外胚葉性器官の機能的再生を観察した。

完全機能的バイオエンジニアリング歯

3.1. 歯の発生

歯胚の発生では、まず歯質のラミナが厚くなる（ラミナ期）（図2a）。 歯胚は口腔粘膜上皮や間充織と相互作用しながら発達する。 その後、マウスの胚11-13日目に上皮シグナルにより、将来の歯の位置での上皮の肥厚と、その下の神経堤由来の間充織への上皮の出芽（bud stage）が誘導される。 EDs13-15では、エナメル質の結び目が歯乳頭の形成と維持を担うシグナルセンターとして機能する。 一次エナメルノットは歯芽で形成され、歯芽から歯冠期への移行期に出現する。 ED17-19では、歯胚の上皮細胞と間葉系細胞が終末分化する 。 間葉系細胞は歯髄や歯周組織にも分化し、セメント質、歯根膜、歯槽骨となる。 歯冠形成後、歯根形成が開始され、成熟した歯が口腔内に萌出する。

3.2. 完全機能的な歯の再生

う蝕、歯周病、外傷による歯の喪失は、適切な口腔機能の根本的な問題を引き起こし、口腔および全身の健康問題に関連します。 歯を失った後の咬合機能の回復を目的とした従来の歯科治療は、固定式または可撤式の義歯やブリッジなどの人工材料で歯を補うことが基本となっています。 これらの人工的な治療法は歯科疾患の治療に広く応用されているが、歯は周囲の筋肉の咬合力や矯正力と協調し、生後の顎の成長期に咬合システムを確立することで顎口腔系の完全性が保持されるので、咬合の回復が必要である … 最近の組織再生の進歩により、骨のリモデリングによる歯の下層の発育促進や、有害な刺激を感知する能力の補助など、生体歯の機能を高めることが可能になりました。

我々の以前の研究で示したように、生体工学的歯胚は、失った歯の領域に移植すると正しい歯構造に成長し、口腔内に正常に萌出する（図2b）。 また、成熟歯からなるバイオエンジニアリング成熟歯ユニットを移植した場合、レシピエントの骨統合により歯周靭帯や歯槽骨を歯の喪失部位に生着させることができる（図2c）。 バイオエンジニアリング歯は、骨との一体化に成功することで、バイオエンジニアリング歯ユニットに由来する歯根膜や歯槽骨との相互作用を維持することができます。 バイオエンジニアリング歯のエナメル質と象牙質の硬度は、ヌープ硬度試験で分析したところ、正常範囲内であった。 将来の方向性として、歯の形状の制御が重要であると考えられている。 歯は、発生過程で間充織をボディプランに沿うように誘導することで生成される。 歯の形態制御に関しては、歯の幅は上皮細胞層と間葉細胞層の接触面積で制御され、歯頸部の数はエナメル質内上皮のShhの発現で制御される 。 このバイオエンジニアリング歯技術は、次世代治療法として歯全体を置換する再生治療の実現に貢献します。

完全機能化バイオエンジニアリング毛包

4.1. 毛包の発生

マウスには背中に4種類の毛があり、ガード毛、アウル毛、オーセン毛、ジグザグ毛に分類されている。 マウスの背部皮膚における毛包の発生は、ED10.5頃に間葉系細胞の運命決定から始まり、真皮コンデンセートが形成される。 真皮凝縮体とその上にある表皮との相互作用により、毛包が誘導されます（図3a）。 毛包が形成されると、3つの波が生じ、ED14.5のガードヘアから始まり、ED17のオーシャンヘアー、そして出生時のジグザグヘアーへと続いていく。 毛包上皮の下端は、凝縮した真皮細胞に巻きついて、毛母細胞の胚を形成している。 凝縮真皮細胞は毛包間葉系幹細胞のニッチとされる真皮乳頭を形成し、毛母細胞の分化を誘導し、毛包の内根鞘や毛幹を形成する。 バルジ領域は上皮幹細胞ニッチも形成し、同時に神経線維や立毛筋とも結合している（図3a）.

4.2. 毛包の完全な再生

毛という器官は、体温調節、紫外線からの物理的絶縁、防水、触覚、有害刺激からの保護、カモフラージュ、社会的コミュニケーションといった生物学的機能を有している。 先天性毛包形成不全や男性型脱毛症などの脱毛症は、心理的苦痛を与え、男女のQOLに悪影響を及ぼします。 現在の薬物療法は、先天性毛包形成不全や円形脱毛症などの脱毛症を理想的にコントロールするのに十分ではありません。 2134>

ヘアサイクルにおいて、毛包の原基は周期的に再構成され、毛包を再生する能力を持つ上皮性幹細胞や間葉性幹細胞が成人でも存在しています。 したがって、この臓器は成体由来の細胞から再構成原基を再生できる唯一の臓器である。 健康な頭皮部分から1個の毛包を分離し、男性型脱毛症患者に移植する自家毛包移植が報告されており、移植された毛包はその特性を維持しています。 多くの研究者によると、毛包の中の成熟した毛球から採取した間葉系細胞を用いて皮膚の真皮細胞を置き換えることで、新しい毛包の形成が誘導されるとのことです . しかし、周囲の組織と協調して機能する毛包の再生は困難である。 私たちのグループは、胚だけでなく成体マウスから分離したバルジ由来の上皮細胞や皮膚乳頭細胞を用いて、間葉系幹細胞を含むバイオエンジニアリング毛包胚を再構成した（図3b） 。 バイオエンジニアリングされた毛包原基は、同所移植後、適切な構造を持つ成熟した毛包に成長し、生涯にわたって毛髪を生成します（図3c）。 さらに、再生した毛包は周囲の宿主組織と効率的に結合し、アセチルコリン投与に反応して毛運動反射を示しました（図3d）。 本研究は、成体毛包から分離した組織幹細胞がヒト毛包に成長する可能性を示し、再生医療分野への応用が期待されます。

完全機能型バイオエンジニアリング分泌腺

5.1. 唾液腺・涙腺の発生

唾液腺や涙腺などの分泌腺は、口腔や眼球表面の微小環境における保護や生理機能の維持に不可欠である。 分泌腺は、上皮と間葉の相互作用によって発達する。 唾液腺は、耳下腺（PG）、顎下腺（SMG）、舌下腺（SLG）の3種類に大別される。 SMGは、ED11で上皮が間葉系領域に浸潤して発達する。 侵入した上皮組織は増殖し、上皮の茎を形成する（図4a）。 終芽は裂け目を発達させ、ED12.5-14.5からの伸長と分岐を繰り返すことにより、枝分かれした構造を形成する。 終末芽はアシナール細胞に分化し、ED15で秘書タンパク質を合成するように成熟する。 一方、涙腺もED12.5で上皮が眼球の側頭部にある間葉系嚢に侵入し、発達する。 丸みを帯びた上皮芽は上結膜前庭に凝縮し、周囲の間充織に侵入する。 涙腺胚は茎の伸長と裂孔形成の形態形成を介して枝を形成する。 涙腺の基本構造はED19 .