ヒトiPS細胞由来の気道および肺胞モデルでウイルス感染を再現 ―気道と肺胞で異なる免疫応答を可視化した生体模倣システム―

マイクロエンジニアリング専攻の横川隆司教授、Sachin Yadav博士後期課程学生（現、アステラス製薬株式会社）らの研究グループは、医生物学研究所野田岳志教授、iPS細胞研究所後藤慎平教授らと共同で、ヒトiPS細胞から作製した肺前駆細胞を用いて、気道および肺胞という2つの呼吸器部位を模倣する生体模倣システム（Microphysiological systems (MPS)）を開発しました。このモデルを用いて、新型コロナウイルス（SARS-CoV-2）およびインフルエンザウイルス感染後の細胞傷害や自然免疫応答を再現することに成功しました。

生体模倣システムでは、ヒト臓器細胞をマイクロ流体デバイス（チップ）内で培養することで臓器機能を再現することが可能であり、近年では様々な幹細胞を用いて臓器モデルの開発が進んでいます。しかし、細胞の由来がモデルごとに異なるため、異なる臓器モデルの間の薬剤応答などを評価することは困難であり、個別化医療へのハードルとなっていました。特に、同一の遺伝的背景をもつ幹細胞から様々な臓器のモデルが作製できれば、新型コロナウイルス感染症で見られたような、ウイルス感染形態、宿主との相互作用、感染後の病態などの大きな個人間、臓器間の差を再現することができます。

本研究では、単一のヒトiPS細胞株から作製した肺前駆細胞を用いて、気道および肺胞の上皮－内皮界面を再現した生体模倣システム（気道MPSと肺胞MPS）を開発し、SARS-CoV-2およびインフルエンザウイルスのウイルス疾患メカニズムについて、組織およびウイルス種依存的な感染後の細胞傷害や自然免疫応答を再現しました。その結果、SARS-CoV-2に対する初期自然免疫応答においては、気道MPSでは強いインターフェロン（IFN）依存性の反応が早期に起こる一方で、肺胞MPSではIFN応答が遅れ、ケモカイン関連の経路が大きく活性化するなど、部位による違いが明らかになりました。また、インフルエンザウイルスでは、両モデルともにSARS-CoV-2よりも顕著な免疫応答と細胞傷害が観察されました。

これらの成果は、ヒトiPS細胞由来のMPSがウイルス疾患の病態解明や感染に対する新薬の迅速なスクリーニングに活用できる可能性を示したものであり、将来起こりうるパンデミックへの対処に貢献することが期待できます。

本研究成果は2025年7月16日に国際学術誌「Nature Biomedical Engineering」のオンライン版に掲載されます。

研究詳細

ヒトiPS細胞由来の気道および肺胞モデルでウイルス感染を再現 ―気道と肺胞で異なる免疫応答を可視化した生体模倣システム―

研究者情報

• 横川　隆司　京都大学教育研究活動データベース

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