立教大学

予備的な実験により、同技術を用いて3週間以上の間、培地交換無しの条件でキンギョのウロコの細胞活性を維持できることも確認しています。今回の成果により、ロケットの打ち上げ射場でキンギョを飼育し、ウロコをパッキングする必要がなくなり、日本でパッキングしたウロコを低温で維持し、NASAなどの射場に運ぶことが可能となります。さらにロケットの打ち上げの予期せぬ遅延にも対応できます。本研究より、宇宙実験の技術的な側面に大きく貢献することが期待されます。

本研究は、2024年度からJAXAの宇宙環境利用専門委員会の公募事業^（※1）（2024年度フロントローディング研究）の助成を受け、実施しています。さらに、2025年度フロントローディング研究にも採択され、今後、本研究成果を活用した、国際宇宙ステーション（ISS）での宇宙実験を企画しています。
本研究成果は、2025年4月7日にアメリカの国際学術誌『Life Sciences in Space Research』のオンライン版に掲載されました。

宇宙環境は、さまざまな臓器・器官に障害を生じさせ、人体に大きな影響を与えます。特に、2030年に終了する国際宇宙ステーション後の月や火星への人類の進出、宇宙における人類の居住を可能にするために、長期の宇宙滞在のリスク評価およびそれを克服するための技術の開発が喫緊に求められています。本研究グループが注目している宇宙環境のリスクは、①微小重力および②宇宙放射線です。①微小重力は、1Gの地上の環境に適応している人体にさまざまな傷害を引き起こします。例えば、体液循環が変化し、約2Lの水分が頭部と胸部に移動してムーンフェイスになり、骨や筋肉は萎縮します。また、宇宙空間に滞在する宇宙飛行士では、1ヶ月に約1パーセントの割合で骨量が減少し、尿からカルシウムが排出されます。したがって、腎臓結石のリスクが高まります。②宇宙空間では太陽フレアによる大量の宇宙放射線や、宇宙飛行船の壁を突き抜けるような銀河の超新星爆発による高エネルギー重粒子線が降り注いでいます。

本研究グループは、微小重力と宇宙放射線の骨組織に対する影響に注目し、ヒトの骨と進化的・構造的な類似性を持つキンギョのウロコを骨の実験モデルとして用い、2010年に宇宙実験（Fish Scales）^（※2）を実施しました。この宇宙実験では、①微小重力による骨代謝低下の分子メカニズムおよび②宇宙放射線の骨の細胞に対する影響を明らかにし、これらの影響を生体内のインドール化合物である「メラトニン」により抑制できる可能性を示しました（微小重力の影響に関する成果：Ikegame et al., J. Pineal Res., 2019; Hirayama et al., J. Pineal Res., 2023, 宇宙放射線に関する効果：Furusawa et al., Mol. Med. Rep., 2020; Hirayama et al., J. Pineal Res., 2023）。しかし2010年に実施した宇宙実験では、シャトルのドッキング中にすべての実験を終了させるために、86時間の培養しか行うことができませんでした。そこで、次の実験では長期間の宇宙環境における骨組織への影響を評価したいと考え、ウロコを用いた宇宙実験の研究を進めています。

本研究グループは、4℃で保管する前と後のキンギョのウロコの骨芽細胞の染色結果から、4℃での保管が、キンギョのウロコの骨芽細胞の活性および形態は変化させないことが分かりました（図2）。次に、4℃で保管する前と後のキンギョのウロコの破骨細胞の染色では、破骨細胞は、活性化する際に複数の細胞が融合して多核化が認められました（図3）。従って、多核化した破骨細胞は活性型となりますが、この細胞はアクチンリング（図3E、図3Fの赤の部分）という構造を持ちます。このアクチンリングは、破骨細胞が酸や酵素を分泌して、その酸や酵素が漏れないようにシールする役目を果たしており、破骨細胞の活性化の指標となります。このアクチンリングにより、破骨細胞は特異的に骨を溶かすことができます。またカテプシンKは、骨を溶かす酵素の1種ですが、この酵素も破骨細胞の活性化の指標となります（図4）。これらの活性型の破骨細胞は、これまで活性を維持したまま長期間保管することは難しいとされていましたが、本研究において4℃で保管することにより、活性型の破骨細胞を1週間は保管できることを見出しました。

次に、骨芽細胞と破骨細胞の酵素活性を測定し、これらの活性値の変化を調べました。その結果、これらの酵素活性は少し減少しましたが、統計学的に有意な変化はありませんでした（図5）。

ロケットの打ち上げ時には、振動が発生します。スペースシャトルの場合は、最大で2分間の6.8 Gの重力を誘発する振動があります。そこで1週間4℃で保管したウロコにバイブレーションによる振動を与え、ウロコの細胞がその振動に応答するのかを調べました。その結果、4℃で保管したウロコにおいて、バイブレーションによる振動に応答して、骨芽細胞は活性化し、破骨細胞は活性が低下することが分かりました（図6）。

さらに、実際にスペースシャトルで宇宙に打ち上げた時の低温下で保管されたウロコの骨芽細胞と破骨細胞に対する重力応答を調べました。スペースシャトルの打ち上げでは、シャトル内で振動（最大6.8G、2分間）の後、過重力（最大3G、3分30秒）が発生します。この打ち上げによる振動と過重力の影響を評価するために、4℃で6日間保管したウロコをスペースシャトルで宇宙空間（国際宇宙ステーション）に打ち上げ、国際宇宙ステーションに到着直後に冷凍しました。そのウロコの骨芽細胞と破骨細胞の活性を、地上にて4℃で6日間保管した細胞の活性と比較しました。その結果、ウロコを4℃に保管していたにもかかわらず、骨芽細胞の活性はスペースシャトルの打ち上げの振動と過重力に応答して上昇しました（図7）。加えて、4℃で6日間保管したウロコを国際宇宙ステーションにおいて22℃で86時間培養すると、ウロコの骨芽細胞の活性が微小重力に応答して低下することが分かりました（図8）。非常に応答性が良いことが、ウロコの特徴です。

以上のように、キンギョのウロコを4℃で保管してもその細胞は重力に応答することを見出しました。したがって、長期間4℃下で維持しておけば、培養ウロコの骨芽細胞と破骨細胞は宇宙空間の微小重力に対して反応できるため、さまざまな影響を解析できる可能性が高いと思われます。

地上でも擬似的に微小重力を作る機器（3次元クリノスタット：2軸で回転して、ベクトルを相殺して擬似的に微小重力を作る機器）を用いて、低温培養の地上実験を行い、次の宇宙実験のためのデータを取得する予定です。