iPS/ES細胞が拓く感染症研究：病態モデル、創薬、ワクチン開発への貢献
はじめに：感染症研究における新たな潮流
感染症は依然として人類の健康を脅かす重要な課題であり、新たな病原体の出現や薬剤耐性菌の蔓延など、その脅威は多様化しています。感染症の病態解明、薬剤やワクチンの開発には、信頼性の高い研究モデルが不可欠です。従来、感染症研究には動物モデルや継代細胞株が用いられてきましたが、これらはヒトの生体反応や組織の複雑性を完全に再現することは困難でした。
近年、人工多能性幹細胞（iPS細胞）および胚性幹細胞（ES細胞）といった多能性幹細胞技術の進歩は、感染症研究に革新をもたらしています。ヒト由来の細胞から様々な種類の細胞や三次元組織（オルガノイド）をin vitroで構築できるようになったことで、よりヒトの生体に近い環境で病原体と宿主細胞の相互作用を詳細に解析することが可能になりました。
iPS/ES細胞が感染症研究にもたらす可能性
iPS/ES細胞技術は、感染症研究において主に以下の点に貢献しています。
1. 病態モデルの構築
iPS/ES細胞は、体のほぼ全ての細胞種に分化誘導できるため、特定の病原体が標的とするヒトの組織や細胞をin vitroで再現することが可能です。例えば、呼吸器系ウイルス研究には肺上皮細胞や気道オルガノイド、腸管系病原体には腸上皮細胞や腸オルガノイド、神経向性ウイルスには神経細胞や脳オルガノイドなどが用いられます。
さらに、患者由来のiPS細胞を用いることで、遺伝的背景や疾患の状態を反映した疾患特異的な感染モデルを構築できます。これにより、なぜ特定の個人や集団が感染症に対して脆弱または抵抗性を示すのか、あるいは合併症のリスクが高いのかといった、宿主側の要因が感染病態にどう影響するかを詳細に解析することが可能になります。オルガノイドを用いることで、単一細胞では再現できない組織レベルでの感染メカニズムや細胞間相互作用、さらにはバリア機能や局所的な炎症反応といった複雑な病態の解析が進んでいます。
2. 病原体と宿主相互作用の解析
iPS/ES細胞由来のモデルを用いることで、病原体がどのように細胞に侵入し、複製し、細胞障害を引き起こすのかといった基本的なプロセスを、ヒト細胞レベルで詳細に解析できます。また、宿主細胞が病原体に対してどのような応答（自然免疫応答、アポトーシスなど）を示すのか、といった分子メカニズムの解明が進められています。これにより、感染の初期段階や、特定の細胞・組織における病原体の挙動について、従来のモデルでは得られなかった知見が得られています。
3. 薬剤スクリーニングと評価
構築された感染モデルは、新規抗ウイルス薬や抗菌薬、あるいは宿主側の応答を標的とする治療薬候補のスクリーニングや評価に利用できます。ヒト細胞を用いた系であるため、動物モデルよりもヒトでの効果や毒性を予測しやすいと考えられます。特に、大規模な細胞パネルやオルガノイドライブラリを用いたハイスループットスクリーニングが可能になれば、効率的な創薬研究が期待されます。既存薬の感染症治療へのリポジショニング研究も活発に行われています。
4. ワクチン開発と評価への貢献
iPS/ES細胞由来の細胞モデルは、ワクチン候補の有効性や安全性を評価するためのin vitroプラットフォームとしても活用される可能性があります。例えば、ワクチンによって誘導された免疫応答が、感染モデルにおいて病原体の増殖をどの程度抑制できるか、といった評価系が検討されています。
代表的な応用事例
近年、iPS/ES細胞を用いた感染症研究は急速に進展しており、特に以下のような病原体研究において重要な成果が報告されています。
- SARS-CoV-2（COVID-19）: iPS/ES細胞由来の肺上皮細胞、心筋細胞、神経細胞、腸上皮細胞などを用いた感染モデルが多数報告され、ウイルスの細胞侵入メカニズム、臓器特異的な病態、既存薬の抗ウイルス効果などが精力的に研究されました。肺オルガノイドを用いた研究は、COVID-19における呼吸器病態の理解に大きく貢献しています。
- Zikaウイルス、デング熱ウイルス: 神経向性を示すZikaウイルス研究においては、iPS細胞由来の神経幹細胞や神経細胞、脳オルガノイドが用いられ、小頭症などの神経障害メカニズム解明に貢献しました。
- 結核菌、サルモネラ菌: iPS細胞由来のマクロファージや腸上皮細胞を用いた研究により、これらの細胞内寄生性細菌の感染メカニズムや宿主応答の解析が進んでいます。
課題と今後の展望
iPS/ES細胞を用いた感染症研究は大きな可能性を秘めていますが、実用化に向けた課題も存在します。モデルのヒト生体内環境に対する忠実性をさらに高めること（例えば、免疫細胞や血管系、微生物叢との相互作用を再現すること）、標準化されたプロトコルの確立、ハイスループットスクリーニングに適した大規模培養・解析系の開発などが挙げられます。
しかし、これらの課題が克服されれば、iPS/ES細胞技術は感染症の病態解明、新規薬剤・ワクチンの開発において、より中心的かつ強力なツールとなることが期待されます。将来的には、個別化医療の観点から、患者自身の細胞を用いた感染モデルを作成し、最適な治療法を選択するといったアプローチも視野に入ってくるかもしれません。iPS/ES細胞研究は、来るべき新たな感染症の脅威に対抗するための重要な基盤技術となりつつあります。