神経発達障害を持つ人々に対する疾患修飾治療の選択肢は限られており、治療法はありません。これに対処するために、疾患のメカニズムや新たな治療標的を定義する努力が必要です。本レビューでは、これらの取り組みをリードしているいくつかの技術を詳述します。
レビュー記事
神経発達障害を持つ人々に対する疾患修飾治療の選択肢は限られており、治療法はありません。これに対処するために、疾患のメカニズムや新たな治療標的を定義する努力が必要です。本レビューでは、これらの取り組みをリードしているいくつかの技術を詳述します。
神経発達障害(NDD)は、世界中で3億1,700万人の子どもや若者に影響を与えています。NDDは多臓器系に影響を与える多様な障害群ですが、てんかん、自閉症スペクトラム障害(ASD)、知的障害(ID)は一般的な結果です。残念ながら、疾患修飾療法はほとんどなく、NDDの治癒法も存在しません。しかし近年、遺伝子編集、細胞・分子アッセイ、幹細胞モデルがNDDの根本原因を深く理解し、遺伝的変異を分類し、より正確に人間の疾患プロセスをモデル化するための有望な技術として浮上しています。さらに、特に遺伝子編集などの技術はすでに臨床的成功を収めています。本レビューでは、遺伝子変異を機能的に検証するためのいくつかの新しい手法、NDDの幹細胞モデル、そして新しい遺伝子編集アプローチについて詳述します。これらの手法を理解し応用することは、NDDの新規疾患メカニズムや治療標的を明らかにし、技術的アプローチを臨床から臨床へと発展させる上で極めて重要です。
神経発達障害(NDD)は、世界中で3億1,700万人の子どもや若者に影響を与えています。これらの疾患には、脳性麻痺、脆弱なX症候群、アンジェルマン症候群、結節性硬化症など、多くの疾患が含まれます。NDDは多臓器系に影響を与える多様な障害群ですが、てんかん、自閉症スペクトラム障害(ASD)、知的障害(ID)は頻繁に見られます。実際、ある研究では、ケニアでてんかんおよび認知、視覚、聴覚、運動障害を持つ子どもたちが、非NDD群の子どもたちの3〜4倍の死亡率で死亡したと報告されています。
2003年のヒトゲノムプロジェクトの完了により、NDD研究のパラダイムシフトが起こりました。さらに、GWASによる多遺伝子リスクスコアの定義や、2013年のDSM-5による「神経発達障害」の特徴付けなど、さらなる進展が見られました。NDDの遺伝的原因の理解には有意な進展がありますが、特定のNDDに対する標的治療はほとんどなく、それに関連するASDやIDに対する疾患修飾療法も存在しません。
本レビューで述べた遺伝子編集、電気生理学的、細胞・分子アッセイおよび手法は、NDD研究の最前線にあります。すべてのアッセイを網羅しているわけではありませんが、これらの方法は疾患修飾療法を特定するための最先端アプローチを示しています。その一例として、脱ユビキティ化酵素(DUBs)は、タンパク質からユビキチンを除去する酵素群です。DUB内の変異はNDDと関連しているため、それらの修飾を標的にすることがNDDの潜在的な治療法となる可能性があります。さらに、GABAA受容体サブユニットを含む回路レベルの経路やその他のチャネル障害を解析し、てんかん、ASD、ID7に関連する疾患メカニズムを解明しています。もう一つの注目すべき手法であるCRISPR/Casゲノム編集(図1)は、ゲノムを直接改変して新たな実験モデルを作成し、最近では希少な遺伝性疾患8,9,10の治療にも用いられる強力なツールです。CRISPRツールキットは拡大を続けており、CRISPRi(CRISPRi干渉/抑制)、CRISPRa(CRISPRa活性化)、プライム編集、ベース編集の4つのアプローチが、影響力のある研究および臨床的革新として登場しています。最後に、本記事では誘導多能性幹細胞(iPSC)の利用における進展について詳述します。iPSCおよびその細胞派生により、患者由来細胞9,11,12を用いて多くのNDDをより正確にモデル化できるようになりました。重要なのは、iPSCsからのオルガノイドの発達により、多くのNDDの発生過程を、齧歯類モデルよりも人間の疾患により関連性の高い形で研究可能にしたことです(13,14)。
本レビューでは、上記の技術の詳細と拡張を紹介します。さらに、これらの手法を活用してNDD、現行文献のギャップ、将来の方向性についての洞察を深めるためのいくつかの最近の研究についても議論されています。
誘導多能性幹細胞と関連する実験パラダイム
誘導多能性幹細胞は、NDDをモデル化する強力なシステムとして浮上しています。実際、多くの発生過程は人間の脳の発達時に観察されるものと似たiPSCモデルで起こり、齧歯類の脳の発達時には起こらないものです15。そのため、研究者たちは2次元培養、オルガノイド、アッセンブロイドなどの幹細胞モデルを他の実験手法と組み合わせ、NDD11、13、14、16における疾患メカニズムをよりよく理解しています。
最近では、ダウン症(DS)の重要な特徴である胎児発生中の神経新生障害をアッセンブロイドがモデル化するために用いられました16。DSのhiPSCとアイソジェニックな高倍体hiPSCの両方を用いて神経新生が誘導され、その後ニューロンへの分化が行われました。85日後、免疫細胞化学と画像診断を用いて細胞周期を観察しました。彼らは、DS神経前駆細胞が細胞周期を抜けず成熟ニューロンに分化できなかったことを観察し、また細胞周期の欠陥が神経新生期を変化させることでDS-16の神経新生が障害されることも発見しました。
多くの幹細胞モデルはニューロンに焦点を当てていますが、神経膠細胞を含む他の細胞タイプもNDD病理に重要な役割を果たしています。最近の報告では、脆弱X症候群(FXS)におけるグリオジェネシスとアストロサイトの役割に焦点を当てました。hiPSCを用いて、アストロサイト前身細胞を培養し、脆弱なXメッセンジャーリボ核タンパク質を欠いた前脳特異的なアストロサイトに分化させました11。これらのアストロサイトは糖分解およびミトコンドリアの代謝調節が不安定であることを観察しました。同じチームの先行研究でも、FXS11,18由来のニューロンにおける活動電位発火を制御するために適切なミトコンドリア機能が必要であることが示されました。FXSにおけるアストロサイトの代謝やニューロン発火のメカニズムを理解するにはさらなる研究が必要ですが、これらの研究はアストロサイトが疾患の病理を駆動し、治療標的にもなり得ることを示しています。
ゲノム編集
フランシスコ・モヒカは、1990年代初頭に原核生物の適応免疫系であるCRISPR(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)を発見し、ゲノム編集の基礎を築きました。これを基に、ジェニファー・ダウドナとエマニュエル・シャルパンティエはCRISPR/Cas9という手法を先駆けて開発しました。これはCRISPRとCas9エンドヌクレアーゼを組み合わせて遺伝子を選択的に分離し、変化させる方法です。最初のCRISPR/Cas9遺伝子編集研究の発表から間もなく、研究者たちはCRISPR/Casシステムを操作し、新規ゲノム情報を明らかにしたり、独自の方法で遺伝子を編集したりし始めました。新しい方法の一つにCRISPRiがあり、関心のある遺伝子をサイレンスする方法です。触媒的に不活性なCas9ヌクレアーゼをcr-RNAおよびtracr-RNAと組み合わせることで、RNAポリメラーゼのプロモーターへのアクセスが遮られ、特定の遺伝子または遺伝子群の遺伝子発現が停止されます。CRISPRiスクリーニングは、NDDのリスク遺伝子の特定や、それらの遺伝子の機能喪失に関連する機能変化を特定するために用いられてきました。例えば、iPSC由来アセンブロイドを用いた最近のCRISPRiスクリーニングでは、425のNDD遺伝子が介在ニューロン発生に与える影響をアッセイし、いくつかの候補遺伝子の喪失が細胞骨格および小胞体の構造に影響を与えることが明らかになりました。さらに、CRISPRiスクリーニングにより、ASDリスク遺伝子であるADNPの喪失がシナプス25の微粒膠細胞剪定に変化をもたらすことが明らかになりました。したがって、CRISPRiスクリーニングはNDDにおけるいくつかの収束的および発散的な疾患メカニズムを明らかにしました。
CRISPRiを補完するものとして、CRISPRaは遺伝子発現を促進するためのツールです。この技術は触媒的に不活性なCas9を転写活性化因子に結合させ、ガイドRNAによって標的化されます。CRISPRaはまた、ASDおよびNDDリスク遺伝子の活性化が疾患の表現型をどのように変化させるかを理解するためにも活用されています。NDD表現型を救うためにCRISPRaを用いた研究は少ないものの、CRISPRaは大きな治療効果を持つ可能性があります。例えば、最近の研究では、ITGB3 (ASDと関連するハプロイン不足)の活性化が、齧歯類のネットワーク機能とASD表現型を救うことが示されました。実際、多くのNDD遺伝子変異はハプロイン不不十分性によって疾患を引き起こしており、CRISPRaが影響を受けていない対立遺伝子の発現を疾患修飾的に増加させるために用いられる可能性を示唆しています。
塩基編集とプライム編集は、CRISPRツールボックス内でゲノム内の特定のヌクレオチドを編集するための正確な手法です。両者ともCRISPR/Cas9のような二本鎖断線(DSB)ではなく、単一鎖DNAを切断しています。ベース編集は標準的なCRISPR/Cas9編集より具体的ですが、適応性が低く、そのためプライム編集ほど翻訳的意義はありません。塩基編集の効率性は、シトシンをチミンの代わりに、アデニンをグアニンの代わりに、またはその逆をしてポイント変異を修正できる点にある。このため、ベース編集は生じる変異の種類に制限があります。したがって、有用ではあるものの、実行できるのは遷移変異のみであり、挿入や欠失は実行できません。しかし、プライム編集は非常に適応性の高いゲノム編集の形態であり、多くの応用が可能です。プライム編集は、プライム編集ガイドRNA(ペグRNA)とCas9ニカーゼを逆転写酵素と結合させ、単一塩基の挿入、欠失、または変化を促進する10を活用します。残念ながら、プライム編集は技術的に複雑でより大きな遺伝子変異を行う可能性があるため、基底編集よりも効率が劣ることがあります。したがって、両者は補完的なツールとして利用でき、神経発達障害のゲノム編集にも有用です。プライム編集はすでに希少な遺伝性疾患の患者の治療に活用されており(27)、小児の交互偏麻痺の齧歯類モデルにおける疾患表現型の救済に有望さを示している28。
細胞および分子アッセイ
NDDは、細胞機能に異なる影響を与える遺伝的変異によって引き起こされます 29,30,31。NDDを研究する人々が直面する大きな課題は、特定の患者変異が細胞に有害な機能変化を引き起こすかどうかをどう判断するかです。したがって、特定の遺伝変異が病原性か良性かを迅速かつ正確に判別できるアッセイの必要性が非常に高まっています。有望な新しいアッセイとして、ユビキチン切断アッセイ32があります。脱ユービキティ化酵素(DUB)は、タンパク質からユビキチンを除去し、分解を防ぐ酵素群です。DUBはNDDの治療法であると同時に原因でもあります。これまでに、12のDUBsの変異がNDDと因果関係があることが確認されており、これにはHao-Fountain症候群、擬TORCH症候群、小頭症-毛細血管奇形症候群などが含まれます。特定の患者変異が疾患を引き起こすかどうかを判断するために、in vitroユビキチン切断アッセイは、DUB酵素活性を測定し変異を機能的に検証するためのゴールドスタンダードとなっています。この方法は遺伝子変異がDUBsに与える影響を評価するために用いられます。最近の研究では、X連鎖知的障害105で変異したDUBであるDUB Ubiquitin Specific Protease 27(USP27X)に焦点を当てました。研究者たちは組換えUSP27Xの発現および精製法およびin vitroユビキチン連鎖切断アッセイを成功裏に示しました。このアプローチにより、ニューロンのタンパク質ターンオーバーを調節する酵素活性の特定が可能となり、シナプス剪定の変化、神経発達の臨界期、タンパク質機能のメカニズムを理解する上で重要かもしれません。興味深いことに、DUBsおよびその病気における役割に関する論文はほとんど発表されておらず、このアッセイの適用範囲は未検証のままであり、さらなる調査の余地があります。
多くのNDDは希少疾患としても分類されるため、臨床遺伝学的確定では、これらの変異に関する事前の臨床または機能的研究がないため、遺伝子変化を「重要性不明変異(VUS)」として特定することが多いです。したがって、VUSが病原性かどうかを迅速に判断するアッセイは、NDDの遺伝的原因を特定する上で極めて重要です。一例としてGABAA受容体の変異があります。GABAA受容体の遺伝的変異は遺伝性てんかんの主な原因であり、多くの発作型や発達性てんかん性脳症と関連しています7,35。最近の研究ではGABAA受容体のサブユニットを調査し、多様態アプローチを用いてこれらの変異が細胞内の機能変化を引き起こすかどうかを特定しようと試みました。In Silico検査はVUSの特定と病原性γ2 GABAAサブユニット変異の予測に用いられました。その後、バリアントの分子的影響が定義され、構造的、物理化学的、生物物理的マーカーが含まれました7。これらのドメインは文献解析、インシリコモデリング、パッチクランプ電気生理学を用いて定義されました。参照領域が選定された後、錐体神経モデリングを用いてGABAA受容体介助阻害の効果を検証しました。彼らは、2つのβ3サブユニット変異(ß3N110Dおよびß3T288N)と2つのγ2サブユニット変異がGABA作動性阻害を損なうことを観察しました。このプロトコルは、マルチモーダルアプローチがVUSの病原性を決定する際にしばしば有用であることを示しています。ハイスループットではありませんが、このアプローチは、特定の検査を持たないNDD関連VUS(例:DUBs)にも有用であり、特に電気生理学的変化に関連するものが挙げられます。
新しいアプローチではありませんが、パッチクランプ電気生理学はニューロンの電気的特性、そして遺伝的変化がニューロンの基本的特性にどのように影響するかを理解するためのゴールドスタンダードであり続けています。NDDに関連するのはチャネルパシー36です。チャネル障害には多くの種類がありますが、SCN1Aの変異はよく研究されており、特に壊滅的な発達性てんかん性脳症であるドラヴェ症候群の主な原因となっています。SCN1Aバリアントの機能検証は、自動パッチクランプとインシリコシミュレーションの組み合わせアプローチを用いて達成されています。この手法を活用し、研究者たちは複数のVUSを解消し、ニューロンの機能変化に基づく遺伝子型-表現型相関を確立しました37。同様のアプローチを用いた別の研究では、iPSCモデルを自動パッチクランプ電気生理学およびシリコモデルで用いてT型カルシウムチャネルの遺伝子変異を分類しました。38。Cav3.1をコードする遺伝子CACNA1Gに焦点を当て、CACNA1Gは18のCav3.1変異体を作り出し、それらを一時的にニューロンにトランスフェクトしました。その後、自動パッチクランプ録音が行われ、その後手動パッチクランプや計算方法が行われました。彼らは、自動パッチクランプと手動パッチクランプが類似した結果をもたらし、計算的手法によって特定の遺伝子変異によって引き起こされる機能変化を特定できることを観察しました38。計算モデルは遺伝子変異の機能的影響を比較的迅速に予測する方法を提供しますが、電気生理学的アプローチは依然として時間がかかり、高度な専門的なスキルを必要とするため、多数の変異を検証しようとする際にはその有用性が制限されます。
多電極アレイ(MEA)は、小さなグループ周辺や大規模なセルネットワーク全体の電気活動を測定するために用いられます。この方法はパッチクランプ電気生理学とは異なり、多細胞モデルに焦点を当てているのに対し、パッチクランプは単一のチャネルまたは細胞を中心に据えています。このため、MEAは異なる脳領域がどのように相互作用するかを洞察し、ネットワークスケールでの疾患研究に活用できます。多くの研究で、てんかんとASDの実験モデルを調査するためにMEAが用いられています14,39。MEAの重要な特徴は、異なる種類の神経細胞(例:グルタミン酸作動性ニューロン、GABA作動性中間ニューロン、前駆細胞、グリア細胞)がどのように相互作用するかを決定できることです14。これにより、MEAは脳アッセンブロイドの研究に優れたアプローチとなっています。Panらによるある研究では、この手法を用いて神経ネットワークの発達を調査しました。著者らは包皮線維芽細胞14から採取したヒト多能性幹細胞(hPSC)を使用し、まずウイルス標識を施し、その後培養してアッセンブロイドを生成しました。その後、アッセンブロイドはMEAプレートに接着され、14個を記録しました。重要なのは、アッセンブロイドを安定化し、記録し、約50日間薬理学的実験を行うことができるため、このパラダイムはNDDに関連するてんかん治療薬の解析に応用可能である。実際、このアプローチはニューロンのネットワーク特性の変化が既知または疑われるNDDのアッセイにも用いられます14。
NDDは壊滅的な障害となり得、標的を絞った治療法はほとんどなく、治療法もありません。実際、ほとんどの治療法は病気の症状管理(例:てんかんの抗てんかん薬)を目的としています。しかし、近年の技術進歩により、NDDの根本原因を探ることを可能にする新しい遺伝子編集技術、アッセイ、モデルシステムが登場しました (図1)。本レビューでは、NDDおよび関連病理の新規治療法を模索する最前線のアプローチについて詳述しています。遺伝子編集技術により、研究者は変異を直接標的にし、疾患のメカニズムをより深く理解し、精密な遺伝子治療で患者を治療できる可能性があります。新しいアッセイにより遺伝変異の迅速な機能分類が可能となり、幹細胞モデルはNDDを駆動する初期発生メカニズムの理解や新規治療法の検証を可能にします。本レビューで詳述する技術は、NDDメカニズムの深い理解と、新規臨床的アプローチの創出を目的とした今後の研究の基盤となります。この分野が進化し続ける中で、今後の研究では出生前検査、胎児療法、高濃度画像診断、ファーマリコゲノミクスなどの技術を本レビューで詳述した技術と統合されるべきです。

図1:技術的アプローチの主な強みと弱みの概要。記事で詳述され、伴随する方法コレクションに掲載された方法を要約しています。各技術には主要な強みと弱みが詳細に記載されています。各手法のキーリファレンスはメソッド列の下に示されています。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。
著者には利益相反を主張するものはありません。
資金はNIH NINDSからPHIへのRO1NS131223提供されました。図1はBioRenderを用いて作成されました。
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