ヒトiPS細胞由来T細胞に遺伝子を導入すると、ヘルパーT細胞様の機能を獲得することを発見

2018-05-25 京都大学iPS細胞研究所(CiRA),国立研究開発法人日本医療研究開発機構

ポイント

樹状細胞^注1ががん細胞を取り込むと、がん細胞の抗原^注2をヘルパーT細胞^注3に提示し、ヘルパーT細胞が活性化する。活性化したヘルパーT細胞は樹状細胞を活性化させ、その活性化した樹状細胞がキラーT細胞^注4に抗原を提示することでがん細胞を攻撃するキラーT細胞が増殖する。
ヘルパーT細胞由来のiPS細胞から分化させたT細胞(iPS-T細胞)は、ヘルパーT細胞とは異なる遺伝子発現パターンを示した。
iPS-T細胞にヘルパーT細胞のはたらきに重要な遺伝子を導入して得られた細胞から、ヘルパーT細胞のはたらきに重要なタンパク質を多く発現している細胞群を選び出した。
試験管内とマウスを用いた実験で、選び出した細胞群がヘルパーT細胞と同様に樹状細胞を介してキラーT細胞を活性化することを確認した。

要旨

上田格弘元大学院生(京都大学CiRA増殖分化機構研究部門・名古屋大学大学院医学系研究科臨床医学領域病態内科学血液・腫瘍内科学)、金子新准教授(CiRA同部門)らの研究グループは、ヒトのiPS細胞から作製したT細胞の遺伝子発現を解析してその性質を明らかにするとともに、遺伝子の導入や培養条件の工夫によって、iPS細胞由来T細胞に、他の免疫細胞の機能を高めるヘルパーT細胞様の機能を獲得させることに成功しました。この研究成果は2018年5月25日午前2時(日本時間)に米国科学誌「Stem Cell Reports」でオンライン公開されます。

研究の背景

がんは、日本人の半数が生涯のうちに罹り、3人に1人の死因となる国民病です。がんの治療には主に、外科治療(手術)や放射線治療、化学療法(抗がん剤)がありますが、それらに加えて、体を異物から守るための免疫機能を高めてがんを治療しようという免疫療法が注目されています。

体内には、ヘルパーT細胞や樹状細胞、細胞傷害性T細胞(キラーT細胞)などの免疫細胞があり、それぞれが協調してはたらいています。例えば、樹状細胞ががん細胞を認識すると、ヘルパーT細胞を活性化させます。活性化したヘルパーT細胞は樹状細胞を活性化させ、その樹状細胞がさらにがん細胞の表面にある抗原をキラーT細胞に提示します。すると、がん細胞を特異的に攻撃するキラーT細胞が増殖し、がんを攻撃します。しかし、がん細胞との慢性的な闘いの結果、免疫細胞が疲弊し、機能が低下したり数が減少したりすることで、がんが増殖する一因となることが知られています。

金子准教授らのグループはこれまでに、弱ったキラーT細胞をiPS細胞へと初期化し、再びキラーT細胞へと分化させることで、元気に若返ったキラーT細胞を作製することに成功しています。本研究は、この基盤技術を応用して、iPS細胞から分化させたT細胞にヘルパーT細胞様の機能をもたせることを目的として行われました。

1種類のキラーT細胞は1つのがん細胞抗原しか認識できないため、がん細胞が細胞表面の抗原を改変してキラーT細胞の攻撃から逃れることがあります。一方、ヘルパーT細胞はいろいろな種類のキラーT細胞を活性化させるため、がん細胞が攻撃から逃れるのを防ぐのに有用と考えられ、再生免疫細胞を用いたがん治療のひとつのアプローチとして効果的であると考えられています。

研究結果

1)ヒトiPS細胞由来T細胞がヘルパーT細胞とは異なる遺伝子発現パターンを示すことを明らかにした

まず研究グループは、以前に報告した手法を用いて、健康な方の血液に含まれているCD4^注5陽性ヘルパーT細胞からiPS細胞を作製し、そのiPS細胞をT細胞に分化させました(iPS-T細胞)。CD4陽性ヘルパーT細胞およびiPS-T細胞について、それぞれ、免疫細胞を活性化させるタンパク質を添加して14日間培養したのち、遺伝子発現を解析してみると、iPS-T細胞は、T細胞に特徴的ないくつかの遺伝子やT細胞受容体遺伝子を発現していた一方で、ヘルパーT細胞のはたらきに必須と考えられているCD4遺伝子は発現していませんでした(図1)。

ヒトiPS細胞由来T細胞に遺伝子を導入すると、ヘルパーT細胞様の機能を獲得することを発見

図1　CD4陽性ヘルパーT細胞とiPS-T細胞の遺伝子発現の比較
CD45…リンパ球全般に特徴的な遺伝子
CD3、CD5、CD7…T細胞全般に特徴的な遺伝子
CD8α、CD8β…キラーT細胞やナチュラルキラーT細胞に特徴的な遺伝子
CD4…ヘルパーT細胞に特徴的な遺伝子
TCR-Vβ22…T細胞受容体。T細胞全般の細胞表面に存在し、抗原を認識するタンパク質

2)iPS-T細胞にCD4遺伝子を導入し、樹状細胞を活性化させうる細胞群を選び出した

研究グループは、1)で作製したiPS-T細胞にヘルパーT細胞様の機能をもたせるため、CD4遺伝子を導入しました。CD4遺伝子を導入したiPS-T細胞(CD4⁺iPS-T細胞)は、CD4遺伝子を導入していないiPS-T細胞に比べて活発に増殖し、サイトカイン^注6を多く産生するなど、抗原に対してより強い反応を示しました。

活性化したCD4陽性ヘルパーT細胞ではCD40Lタンパク質が発現しており、CD40Lは樹状細胞を活性化させることが知られています。そこで次に、培養条件の工夫によって、iPS-T細胞およびCD4⁺iPS-T細胞にCD40Lを発現させ、CD40Lの発現度合いによって4つのグループに分類しました。それぞれのグループを樹状細胞と共培養し、がん抗原(b3a2)に対する反応を観察したところ、CD40Lを強く発現しているCD4⁺iPS-T細胞のグループ(CD40L^highCD4⁺iPS-T細胞)と共培養したとき、他の3つのグループに比べて樹状細胞が活性化し、サイトカインを多く産生していました(図2)。この結果から、CD40L^highCD4⁺iPS-T細胞がヘルパーT細胞と同様に樹状細胞を活性化させる機能をもつことが示唆されました。

図2　各グループと共培養したときに樹状細胞が産生したIL-12p70(サイトカインの一種)の量。白いグラフが対照群、黒いグラフがb3a2を加えた群を示す。
SK…健常者由来ヘルパーT細胞
Mock…CD4遺伝子を導入していないiPS-T細胞
CD4…CD4+iPS-T細胞
CD40Llow…各細胞群において、CD40Lの発現が弱いグループ
CD40Lhigh…各細胞群において、CD40Lの発現が強いグループ

3)CD40LhighCD4+iPS-T細胞が樹状細胞の活性化を介し、がん細胞を攻撃するキラーT細胞を増殖させることを示した

CD40L^highCD4⁺iPS-T細胞によって活性化された樹状細胞にキラーT細胞を活性化する効果があるかを確かめるため、D40L^highCD4⁺iPS-T細胞および樹状細胞、キラーT細胞をがん細胞マーカーとともに共培養したところ(図3A)、キラーT細胞が活性化し、活発に増殖していました。また、がん細胞を移植したマウスの体内に、CD40L^highCD4⁺iPS-T細胞および樹状細胞との共培養によって活性化されたキラーT細胞を移植したところ、がん細胞の増殖が抑えられ(図3B)、マウスの生存率が向上しました(図3C)。

図3

A:CD40LhighCD4+iPS-T細胞および樹状細胞、キラーT細胞を共培養する実験のイメージ。がん細胞マーカーb3a2の刺激を受けたCD40LhighCD4+iPS-T細胞が、CD40Lの作用によって樹状細胞(DC)を活性化させる。樹状細胞が提示する抗原に対して、がん細胞が産生するペプチド^注7WT1(pWT1)を介して活性化されるキラーT細胞(CTL)の増殖率を測定した。
B:pWT1を発現するがん細胞を移植したマウスの体内に、CD40LhighCD4+iPS-T細胞および樹状細胞との共培養によって活性化されたpWT1(がん細胞が産生するペプチド)特異的なキラーT細胞を移植したときのがん細胞の推移
Control…対照群　　WT1-CTL…pWT1特異的なキラーT細胞を移植した群
C:図3Bの実験におけるマウスの生存率の推移
Control…対照群　　WT1-CTL…pWT1特異的なキラーT細胞を移植した群

まとめ

本研究では、以前に開発した方法で分化誘導されたiPS-T細胞が、ヘルパーT細胞とは異なる遺伝子発現パターンを示すことを見出しました。また、遺伝子の導入や培養条件の工夫によって、iPS-T細胞にヘルパーT細胞様の機能をもたせることに成功しました。

この成果によって、今後、再生免疫細胞を移植することで免疫機能を高め、がんの治療を図る免疫療法への応用が期待されます。

論文名と著者

京都大学iPS細胞研究所
名古屋大学大学院医学系研究科
国立がん研究センター先端医療開発センター
愛知県がんセンター研究所
Chinese PLA General Hospital
産業技術総合研究所幹細胞工学研究センター
熊本大学大学院医学教育部
国立病院機構名古屋医療センター

論文名: Generation of TCR expressing innate lymphoid-like helper cells that induce cytotoxic T cell-mediated anti-leukemic cell response
ジャーナル名: Stem Cell Reports
著者: Norihiro Ueda^1,2,4, Yasushi Uemura^3,4, Rong Zhang^3,4, Shuichi Kitayama¹, Shoichi Iriguchi¹, Yohei Kawai¹, Yutaka Yasui¹, Minako Tatsumi⁴, Tatsuki Ueda¹, Tian-Yi Liu^4,5, Yasutaka Mizoro¹, Chihiro Okada¹, Akira Watanabe¹, Mahito Nakanishi⁶, Satoru Senju⁷, Yasuharu Nishimura⁷, Kiyotaka Kuzushima⁴, Hitoshi Kiyoi², Tomoki Naoe⁸, and Shin Kaneko^1*
*責任著者
著者の所属機関