クマムシのタンパク質の技が血液の凍結耐性を高める可能性

凍結を生き延びるためのテンプレートとしてのクマムシ

しばしば「water bears（クマムシ）」と呼ばれる微小な生物であるクマムシは、その耐久性で並外れた評判を得ている。彼らは固体になるまで凍結され、ほとんどすべての水分が失われるまで乾燥され、宇宙空間の真空にさらされても、条件が改善すれば蘇生する。研究者たちはこれらの動物に小さなタトゥーを施したことさえあり、その処置に悩まされている様子はなかった。この耐久性により、クマムシは生存戦略の生物学的カタログのような存在となっており、科学者たちは現在、そのカタログを人間の細胞を保護する方法のために採掘している。

最も実用的なターゲットの一つは、赤血球の凍結保存である。これは、血液銀行が希少な血液型を患者が必要とするまで長期間凍結保存できるようにする技術である。この方法は機能するが、数十年にわたってこの分野を形作ってきた頑固な欠点を抱えている。

グリセロールの問題

血球が凍結される前に、通常はグリセロールで処理される。この化合物は凍結保護剤として働き、そうでなければ細胞膜を突き刺して破壊する氷晶の成長を妨げる。そのような保護がなければ、凍結は致死的である。

問題は後になって生じる。グリセロールは単純に患者に輸血することができないため、細胞が解凍された後に細胞から除去しなければならない。この除去ステップ自体が有害であり、凍結プロセスが保護しようとしたまさにその細胞にストレスを与え、すでに精密さを要求する手順に取り扱い、時間、コストを追加する。

血液銀行が望むのは、凍結を通じて細胞を無傷に保ち、その後、負担の大きい洗浄ステップなしにきれいに抜け出す保護戦略である。ここでクマムシが登場する。

CAHSタンパク質が糖とともにどのように働くか

クマムシは、CAHSタンパク質として知られる分子群の助けを借りて極限環境に耐える。CAHSは「cytosolic abundant heat-soluble proteins（細胞質に豊富な熱可溶性タンパク質）」の略である。これらのタンパク質は、凍結や脱水をものともしない動物に存在するというだけでなく、細胞膜やタンパク質を安定化させる糖であるトレハロースとともに示す挙動によっても注目に値する。トレハロースは実験室外でもおなじみの成分である。冷凍食品の冷凍焼けを抑えるためによく使用されている。

クマムシのタンパク質と膜安定化糖のこのパートナーシップが、研究者たちの注目を集めた。彼らはこの組み合わせを珍品として扱うのではなく、血液銀行で使用される標準的な凍結保護剤を上回ることができるかどうかを問うた。

タンパク質全体ではなく断片を試験

Hui Yang、Leming Sunとその同僚たちは、CAHSタンパク質をトレハロースと組み合わせることで、グリセロールを単独で使用するよりも効果的に赤血球を保護できるかどうかを知りたかった。彼らの発見は、American Chemical Societyが発行する学術誌ACS Applied Materials & Interfacesに掲載された（DOI: 10.1021/acsami.6c12445）。

研究チームは全長のCAHSタンパク質を使用しなかった。代わりに、彼らはその特定の部分が目的とする保護効果をもたらすことを突き止めた。この単純化は、このアプローチが日常的な使用のために拡大される場合、かなり重要になる可能性がある。

その断片を低温でトレハロースと組み合わせ、その後サンプルを液体窒素で凍結すると、2つの成分が氷の形成とその後の融解の仕方を変えた。この変化した氷の挙動が細胞を損傷から守った。解凍後、CAHS-トレハロースの組み合わせは、より負担の大きいグリセロール除去プロセスではなく、標準的な実験技術である遠心分離によって洗い流すことができた。

回収率の数値

性能比較は心強いものだった。新しいCAHS-トレハロース法で保存されたマウス赤血球の最大89%が完全に回復したのに対し、グリセロールを用いて凍結された細胞は約82%だった。

本研究の責任著者であるSunは、この取り組みを生物学の実用的な方法への初期段階の翻訳と表現した。「この研究は、並外れて回復力のある生物から得た教訓を実用的な細胞保存戦略へと翻訳する私たちの最初の試みでした」とSunは述べた。「さらに開発が進めば、解凍後のプロセスをより簡便にし、残留グリセロールに関連する懸念を減らし、保存細胞の品質を保つのに役立つ可能性があります。」

結果を慎重に読む

ここではいくつかの注意点が重要である。実験はヒト細胞ではなくマウスの赤血球を使用しており、完成したプロトコルではなく最初の試みを表している。グリセロールに対する改善は、この設定では実在するものの、劇的な飛躍ではなく数パーセントポイントの差である。輸血医学における最終的な使用には、血液銀行の冷蔵庫に到達する前に、さらなる大幅な開発と検証が必要であろう。

この研究が実証しているのは概念実証である。地球上で最もたくましい動物の一つから借りたタンパク質を、広く使用されている糖と組み合わせることで、細胞周辺の氷の挙動に影響を与え、凍結融解サイクルを通じた生存率を改善できる。また、保護剤の除去がより容易な凍結保存ワークフローを示唆しており、これにより解凍と洗浄が現在保存細胞に与えている負担を軽減できる可能性がある。

研究の要点

• クマムシは凍結、極度の脱水、宇宙空間の真空に耐え、小さなタトゥーを施されることさえ耐えた。
• 従来の赤血球保存はグリセロールに依存しており、輸血前に除去する必要があり、除去中に細胞を損傷する可能性がある。
• 研究者たちは、全長タンパク質ではなく、膜安定化糖であるトレハロースをクマムシCAHSタンパク質の一部と組み合わせた。
• 液体窒素で凍結すると、この混合物は氷の形成と融解を変化させ、細胞を保護した。
• この方法で保存されたマウス赤血球の最大89%が完全に回復したのに対し、グリセロールでは約82%だった。

実験台を超えてなぜ重要か

希少な血液型は、あらゆる医療システムにとって物流上の課題を提示する。それらは定義上乏しく、要求に応じて作り出すことはできず、特定の患者が必要とするときに利用できるよう長期間使用可能に保たなければならない。凍結融解サイクルを通じてより多くの細胞を無傷に保ち、その後により容易に除去できる保存方法は、血液銀行により大きな余地を与えるだろう。

この研究はまた、バイオテクノロジー全体に定着しつつあるより広い考え方を示している。極限に耐える生物は、医学における問題に対する化学的・材料的解決策の源である。クマムシの生存の技は、ほとんどの生命を殺すであろう環境のために進化したものであり、その道具箱のほんの小さな一部、すなわちタンパク質断片と糖を適応させることで、最終的には細胞がどのように保存され、輸送され、回収されるかを変える可能性がある。

トレハロース自体は、地味な成分が真剣な仕事をなしうる好例である。冷凍食品の冷凍焼けを防ぐのと同じ糖が、生きた細胞の安定化剤として試験されており、CAHS断片はその役割においてそれをより効果的にしているようである。そのメカニズムは魔法というよりも化学である。氷がどのように核形成し融解するかに介入することで、この混合物は壊れやすい膜に加えられる物理的な負荷を軽減する。

現時点では、この研究は依然として第一歩であり、マウス細胞の実験と病院での輸血の間の隔たりは大きい。しかし、宇宙空間の真空を生き延びることができる動物と血液銀行の冷凍庫との間の距離は、最初に思われるよりも狭いかもしれないことを示唆している。

この記事はPhys.orgによる報道に基づいています。元の記事を読む。