image: Neural stem cells (NSCs) produce neurons and glial cells (astrocytes and oligodendrocytes), which are major cells in the brain. NSCs are maintained and expanded by self-renewal in order to avoid depletion during neurogenesis and astrogliogenesis. During midgestation, NSCs reside under hypoxia partly due to immature vasculature. The mechanisms by which NSCs efficiently self-renew under such circumstances have not fully been discovered. To tackle these problems, we first isolated NSCs from midgestation mouse brains and cultured them under the hypoxic condition. Neurosphere formation under the hypoxic condition was dramatically increased compared that under the normoxic condition. Since neurosphere formation is a good indicator of the presence of NSCs, this result suggests a mechanism to maintain NSCs under hypoxia. Our further study surprisingly showed that NSCs cultured under hypoxia secreted vascular endothelial growth factor A (VEGF-A) and its amount was sufficient to induce NSC self-renewal. The experiments such as that using a VEGF-A inhibitor suggest that VEGF-A secreted from NSCs under the hypoxia promotes NSC self-renew and contributes to maintenance and expansion of NSCs. Our results suggest that NSCs have adaptive potential to respond to hypoxia to organize self-advantageous niche involving VEGF-A when the vascular system is immature. This study will help to elucidate mechanisms underlying not only NSC maintenance but also vascular formation in the brain at the embryonic stages since VEGF-A is an important factor for vasculature development. view more
Credit: Department of Stem Cell Regulation, TMDU
東京医科歯科大学 難治疾患研究所 幹細胞制御分野 田賀哲也教授の研究グループは東京医科大学 医学部医学科 組織・神経解剖学分野 柏木太一助教（東京医科歯科大学 非常勤講師併任）との共同研究で、胎生期のマウス脳において血管が未発達な時期の低酸素環境下では、神経幹細胞が血管内皮細胞増殖因子（VEGF-A）を分泌し自らに作用させて自己複製を促進するという生存戦略によって脳の形成に寄与することをつきとめました。この研究は文部科学省科学研究費補助金ならびに難治疾患共同研究拠点経費の支援のもと、主に高沢友輝大学院生（東京医科歯科大学 難治疾患研究所 幹細胞制御分野：研究当時）によって行われたもので、その研究成果は、国際科学誌Inflammation and Regeneration（インフラメーション アンド リジェネレーション）に、2023年2月1日にオンライン版で発表されました。
【研究の背景】
脳を構成する主な細胞である神経細胞（ニューロン）とグリア細胞（アストロサイト、オリゴデンドロサイト）は、胎生期の脳室※１の周囲に存在する神経幹細胞※２から生み出されます。脳が形成途上にある胎生期において神経幹細胞はニューロンやアストロサイトなどに分化すると同時に自らが枯渇しないよう維持・拡大するために自己複製することが必要です。神経幹細胞の自己複製にはそれを促す環境が重要ですが、組織構造とくに毛細血管網が未発達な胎生期半ばの脳における低酸素環境下での自己複製の仕組みは詳細にはわかっていませんでした。
【研究成果の概要】
本研究では、胎生期半ばのマウス脳より採取した神経幹細胞を通常の酸素濃度での培養ではなく、胎生期半ばに神経幹細胞が置かれている低酸素環境下で培養した場合の方が、ニューロスフェア※３数が著しく増加するという実験結果を得たことが、今回の発見の端緒となりました。ニューロスフェアの形成は神経幹細胞の存在指標として知られ、神経幹細胞の定量的解析に用いられることから、この実験結果は神経幹細胞が低酸素環境に置かれると自らの維持に寄与する何らかの仕組みが働いていることを示しています。その後の解析で、低酸素環境下で培養した神経幹細胞は意外なことに、これまで血管内皮細胞の増殖を誘導するタンパク質として知られていたVEGF-A※４を産生して培地中に分泌することがわかり、またその分泌量は神経幹細胞の自己複製に十分な量でした。VEGF-Aシグナルの阻害剤添加など様々な実験の結果から、低酸素環境下の神経幹細胞がVEGF-Aを分泌し、それが自分自身に作用して自己複製が促進され、脳の形成が盛んに行われる胎生期において毛細血管網が未熟な段階であっても神経幹細胞が維持・拡大されることに寄与していることを示しています。
【研究成果の意義】
神経幹細胞に限らず、生体内の様々な臓器や組織を形成するもとになる組織特異的な幹細胞は、「ニッチ※５」と呼ばれる特別な微小環境中で周囲の細胞からサポートを受けて維持され、その一方で様々な細胞を生み出すことで組織が形成されます。胎生期の神経幹細胞は脳室の近くに存在しており、周りの細胞が分泌するFGF-2と呼ばれる増殖因子などにより維持されることがわかっていました。この脳室の近くでは胎生中期までは毛細血管網が未発達で低酸素状態にありますが、神経幹細胞が低酸素環境に適応するサポートの仕組みは不明でした。今回の研究成果は本来血管形成に寄与するVEGF-Aというタンパク質を分泌することで自分自身が神経幹細胞のサポート体制の一員となり「神経幹細胞ニッチ」の構築に関わるという点で興味深く、幹細胞の生存戦略の仕組みのひとつとして、他の組織幹細胞にも適応できる学術的意義を持っています。本研究はマウス胎生期脳における神経幹細胞が低酸素環境に適応して自己複製する生存戦略を明らかにしたものですが、マウスの成体脳における神経幹細胞の低酸素への応答や、ヒトの虚血性脳疾患における神経幹細胞の制御に関する研究へと展開が期待されます。
【用語解説】
※１ 脳室
脳の中にある空洞の構造で脳脊髄液が満たされている場所です。
※２ 神経幹細胞
脳を構成する主な細胞である神経細胞（ニューロン）とグリア細胞（アストロサイト、オリゴデンドロサイト）を生み出す能力（多分化能）と、自身が枯渇しないように複製する能力（自己複製能）を併せ持つ細胞です。
※３ ニューロスフェア
神経幹細胞は細胞どうしおよび培養皿の底面に接着する性質を持っていますが、神経幹細胞を1個1個ばらばらにした上で、細胞が底面に接着しないように特殊な処理を施した培養皿の中でごく低い細胞密度で培養を始めると、自己複製能のある神経幹細胞はその場において培養皿底面から少し浮いた状態で数を増やして細胞塊を作ることができます。この球状の細胞塊はニューロスフェアとよばれ、神経幹細胞の他に神経幹細胞から分化した神経細胞（ニューロン）とグリア細胞（アストロサイト、オリゴデンドロサイト）を含んでおり、元になった1個の細胞が神経幹細胞であったこと意味します。
※４ VEGF-A
Vascular Endothelial Growth Factoｒ-A（血管内皮細胞増殖因子-A）の略称で、血管を形成する血管内皮細胞の増殖など誘導し、血管新生を促すタンパク質です。
※５ ニッチ
一般には建築物の壁面の窪みあるいは物事の隙間のような存在を意味します。神経幹細胞に限らず幹細胞は、多分化能と自己複製能を維持するために必要なサポートを提供する細胞や因子で構成される特別な環境に存在しています。この幹細胞維持のための微小環境をニッチあるいは幹細胞ニッチ（神経幹細胞の場合は神経幹細胞ニッチ）と呼びます。
Journal
Inflammation and Regeneration
Article Title
Organization of self-advantageous niche by neural stem/progenitor cells during development via autocrine VEGF-A under hypoxia