細胞の直接変換過程をシミュレーションで再現、AIで細胞変換を誘導可能な低分子化合物を予測

国立大学法人九州工業大学 大学院情報工学研究院の濱野桃子准教授らの研究グループは、国立大学法人東海国立大学機構 名古屋大学大学院情報学研究科の山西芳裕教授との共同研究により、iPS細胞※1を介さずに、細胞を別の種類の細胞へ直接変換する「ダイレクトリプログラミング※2」を誘導する低分子化合物※3について、その最適な組み合わせを予測する新たな手法を開発しました。

ポイント
- 体細胞を別の種類の細胞へと直接変換するダイレクトリプログラミングを誘導する低分子化合物を予測するAI技術を開発した。
- 細胞の変換過程をシミュレーションで再現して初期、中期、後期の複数段階に分類し、それぞれの段階に適した低分子化合物の組み合わせを予測することに成功した。
- 提案手法は、再生医療分野をはじめとする細胞治療のための細胞作製の効率化や安全性向上につながることが期待される。

本研究グループは、体細胞を別の種類の細胞へと直接変換するダイレクトリプログラミングを誘導する低分子化合物(薬剤や化学物質など)を予測するAI技術を開発しました。ダイレクトリプログラミングでは、安全性の高い低分子化合物によって細胞変換を誘導する手法の確立が強く求められています。そこで本提案手法では、細胞変換の段階ごとに必要な低分子化合物を簡便に予測可能なAI技術を開発しました。まず、1細胞レベルの遺伝子発現データからダイレクトリプログラミングの誘導過程をシミュレーションで再現しました。次いで、細胞が変換していく過程を初期、中期、後期のように分け、段階ごとに変化する遺伝子の発現パターンを調べることで細胞変換の動的な分子メカニズムを明らかにしました。最後に、段階ごとに変化する分子メカニズムを制御する低分子化合物の組み合わせを、最適化アルゴリズムで予測することに成功しました。提案手法により、ダイレクトリプログラミングを段階的に誘導する低分子化合物を簡便に予測できるようになり、今後の再生医療分野における細胞作製の効率化や安全性向上に繋がることが期待されます。

本研究成果は、2026年5月18日にCommunications Chemistryで公開されます。

■ 研究の背景と経緯
ダイレクトリプログラミングとは、iPS細胞のような未分化の細胞を介さずに、体の細胞を別の種類の細胞に直接変換する技術です。短期間で低コストに細胞を作製できることから、将来の再生医療を担う革新的な技術として期待されています。しかし、従来の方法は、転写因子をコードする遺伝子を元細胞に導入する方法で誘導されるため、遺伝子導入に起因する細胞のがん化のリスクがありました。発がんリスクを回避するため、低分子化合物(薬剤や化学物質など)を用いたダイレクトリプログラミングの手法が注目されています(図1)。

ダイレクトリプログラミングを誘導する低分子化合物の最適な組み合わせを実験的に同定するのは膨大な実験コストがかかり、極めて困難です。また、低分子化合物による誘導法は、転写因子の導入に比べて細胞変換効率が低いことから開発が遅れており、従来は転写因子を用いた手法が中心となって開発されてきました。そのため、近年蓄積されている生命科学ビッグデータを有効活用し、細胞変換の誘導過程を1細胞レベルで捉え、細胞変換の仕組みを制御する低分子化合物を同定する技術が切望されています。

図１：低分子化合物を用いて細胞を別の種類の細胞へと直接変換するダイレクトリプログラミング（イラストの一部をTogoTVから引用）

■ 研究の内容
九州工業大学大学院情報工学研究院の濱野桃子准教授、伊藤綠風大学院生(当時)、川﨑瞭太大学院生(当時)、渡邉輝大学院生、松尾有紗大学院生らの研究グループは、名古屋大学大学院情報学研究科の山西芳裕教授との共同研究により、ダイレクトリプログラミングを誘導する低分子化合物を予測するAIモデルを開発しました。

本研究の提案手法では、まず、ダイレクトリプログラミングの誘導過程をシミュレーションにより再現しました。次いで、細胞が変換していく過程を初期、中期、後期のように段階を分け、段階ごとに変化する遺伝子発現パターンを調べることで細胞変換の動的な分子メカニズムを明らかにしました。最後に、段階ごとに変化する細胞変換の分子メカニズムを制御する低分子化合物の組み合わせを、最適化アルゴリズムで予測しました(図2)。

図２：ダイレクトリプログラミングを段階ごとに誘導する低分子化合物の組み合わせを予測する提案手法
ダイレクトリプログラミングが誘導される過程をシミュレーションした。細胞が変換していく過程を初期、中期、後期のように段階を分け、段階ごとに変化する遺伝子発現パターンを調べることで細胞変換の動的な分子メカニズムを明らかにした