京都大学 大学院医学研究科 人間健康科学系専攻 病理学研究室（形態形成医療科学）

　古典的な発生解剖学に記載されている形態学的特徴は、観察者が得た感覚的なものを含んでいる。その代表的なものとして解剖学的部位の‘移動’がある。‘移動’は、本当に移動する場合(migration)と、偏差成長の結果移動したように見える場合(differential growth)があり、発生期の器官の移動の多くは、differential growthで説明でき、Migrationでないと考えられている。次に示す、初歩的な多元解剖学的解析を用いた外耳、眼球の移動についての解析はdifferential growthについて新たな知見を与えた例である。

外耳の移動

　『胚子期に外耳は顔の側方を頭側に移動して行く』と、多くの発生学の教科書に記載されている。この動きは”移動 (migration)”ではなく ”分化・成長 (differential growth)” で説明できるかどうかを、MRIデータを用いて、個体の中心に基準点をおき、位置変化の絶対値を検討した。

　方法; MR顕微鏡を用いて撮像されたCarnegie Stage (CS)17-23に分類される171例の胚子画像を用いた。解剖学的目印(左右外耳(耳珠)、眼、口、下垂体、第１頸椎)を選抜しMR画像上で3次元座標を計測し、2種類の座標系(-1, 2)を用いて位置変化を表示した（図１A）。

　座標系-1: 個体の中心に基準点を置き絶対的距離で表示 (位置変化が分化・成長によるか、移動によるかを見分ける方法) 。第１頸椎-下垂体を通る直線を基準 (z軸)とした。これは体軸を決定する脊索の走行にほぼ一致する。顔の大きさの絶対値を維持した（成長による補正をしない）

　座標系-２: 表面に基準点を置き相対的距離で表示 (肉眼的体表観察を再現する方法)。眼、下垂体を通る平面を基準(xy平面)（顔を正面から観察するため）、口とxy平面の距離を一定(=1)になるように表し、顔の大きさを相対化した。

結果；外耳は顔を構成する他の解剖学的目印（眼、口）や下垂体と異なり、CSの進行しても頭/尾、背/腹軸方向の原点(頚椎C1)からの位置変化は比較的ゆるやかであった（図１B_a）。図には示していないが、正面からみるとCSの進行に伴い、外耳は他の解剖学的目印と同様、原点から離れていった。外耳の位置変化が眼、口等と異なるのは、両者が異なる顔面原基に由来するためと思われる。座標系−２に従って表示すると、外耳はCSがすすむと、尾側から大きく移動しCS23では口と頭との間に位置した(図１B_b)。

　両者の見え方の違いを考察するために、胚子の倍率を変えずに座標系-1、−２の軸の関係を示した(図１C)。座標系-1の軸(→)と-2の軸(→)はCSがすすむにつれて乖離していく、つまり顔面を正面からみるための観察方向は大きく変化することがわかる。これは、顎の発達、頭蓋底の形成の影響によると考えられる。C1,下垂体と外耳の位置関係は、CSを通じてほぼ変化しない。一方、実際の肉眼外表観察では、座標系-2のように、目や口といった顔の表面にある解剖学的基準をもとに相対的な動きとして外耳の位置をとらえるため移動して見えるのであろう。古典的解析ではreference pointを標本の中心に近い内部にとることが困難であった。本研究は、立体情報の長所：外表の点と内部の構造とを連動できる、複数の時期の異なる個体を同一縮尺で重ね合わせられるという長所を持つ、を活かした解析方法といえる。

視覚器の位置の移動

　本研究では、ヒト胚子期、胎児期初期の個体（CRL12-85㎜）を位相CT、MRIで撮像した画像データを用いて、頭部における水晶体・眼球の立体的位置関係の変化について3次元座標を用いて検討した。

　頭部における眼球の位置の変化 (図２)は、 CS17で外側を向いていた眼球は、徐々に腹側へ移動し、胎児期初期では成人とほぼ同じ方向（前方）を向いていた。CS17において頭蓋底面（図２点線）よりも頭側に位置していた眼球は、CS18以降は尾側に位置し、頭蓋底面に対して尾側を向くように移動していた。CS16～CS19での前脳の成長に伴い、視覚器が尾側へ移動し、中顔面（鼻隆起、上顎などの視覚器の周辺器官）の成長により胎児期に位置は決定されることがわかる。

　頭部横径、水晶体間径、外側・内側眼球間径値は頭殿長の増加に比例して直線的に増大した(図３A)。頭部横径に対する水晶体間距離の比は～CRL30㎜前後の胎児期初期にかけて急激に減少していたが、CRL40㎜以降の胎児期初期では変化があまりみられなくなり、0.4～0.5に収束した(成人は約0.48)(図３B)。内側/外側眼球間径もCRL40mm以降の胎児期ではあまり変化がみられなくなり0.4～0.5に収束した(図３C)。眼球の位置の移動も解剖学的領域が成長するなかで、それぞれの位置関係が変化し位置が決定されていく(differential growth)の結果で説明できると考えられる。

参考文献

Gasser RT. Evidence that some events of mammalian embryogenesis can result from differential growth, making migration unnecessary, Anat Rec B New Anat,289,53–63,2006.

Kagurasho M et al. Movement of the external ear in human embryo, Head Face Med.8, 2, 2012.

Osaka M et al. Positional changes of the ocular organs during craniofacial development, Anat Rec, 2017, in press.

Willis輪とは

Willis輪は、脳底部において、椎骨動脈と内頚動脈の枝が連絡して形成される輪状ないし六角形の動脈吻合物で、脳への血液供給を担う。それは、1本の前交通動脈（Acom）と、左右の前大脳動脈（ACA）、内頸動脈（ICA）、後交通動脈（Pcom）、後大脳動脈（PCA）の5種類の動脈から構成される。Willis輪は、脳血流を安定させ、一定に保つ側副血行路としての作用があり、脳血管の閉塞や狭窄において血流の代償的メカニズムとして役立つとされている。また、血流よりも血圧の安定化に重要という説もある^1-3。その形態は多様であり、完全な輪状を成す個体は、ヒト成人では約5-28％といわれている。また、ヒト成人では、特にAcom（5～32 %）やPcom（23～81 %）、前大脳動脈のA1領域（1～16 %）、後大脳動脈のP1領域（7～29 %）に低形成・無形成が生じやすいとされているが、報告によりばらつきがみられる⁴。それらは脳梗塞などの脳血流障害の重症度や予後を左右する^1.2。

Willis輪ができるまで

Pagetは脳内の血管系の形成について7段階にわけ詳細かつ精確に記述しており、現在まで多くの教科書、論文で引用されている^5.6。

脳血流は、Carnegie stage（CS）13 （受精後約30日）ころまでは、背側大動脈から分岐する内頚動脈（ICA）と,脳幹部に沿って網状に伸びるlongitudinal neural artery （INA）からなる。INAは脳幹の左右に分布する血管で、網状に分岐、融合を繰り返している。内頚動脈はCS11～13（受精後約25-30日）に発達がみられる。内頚動脈とINA間には、血管吻合（segmental artery）が複数みられる（図１A; 三叉神経動脈（tga）, 舌下神経動脈（hga）,前環椎動（paa））。

CS14（受精後約33日）に後交通動脈が形成され、左右のINAが次第に融合し脳底動脈（BA）を形成し始めると、これらsegmental arteryは消退する。このようにsegmental arteryは、発生途中の4-8日間限定でみられ、比較的太い三叉神経動脈もCS17（受精後約43日）ころには消退する。これらsegmental arteryの遺残は、成人でもみられることがあり、脳外科領域の手術時に問題になることがある。

CS16（受精後約40日）ころに椎骨脳底動脈（VA+BA）は完成する。CS17には前大脳動脈・中大脳動脈（MCA）・後大脳動脈（PCA）の大脳動脈の発達が顕在化する。胚子期では、加えて前後の脈絡叢動脈（acha, pcha）の発達が目立つのが特徴である。これは、脈絡叢が胎児期中盤から大脳の栄養供給など機能的に重要な役割を果たすことと関係がある（図１B）。成人のWillis輪のvariationのうち胎児型（fetal type）と呼ばれるもの（後大脳動脈のP１領域の途絶）は、図１Bの時期のものを想定して命名されている^７。大脳半球後部、中脳、後脳,の血流供給は、内頚動脈由来の後交通動脈を介しての血流が胚子期初期から中期の一定期間こそ役割の多くを担うが、次第に椎骨脳底動脈系（VA.BA）の血流が優位となる。この傾向は、発生が進み大脳の発達が著明になるにつれて、内頚動脈由来の多くの血流が前大脳動脈, 中大脳動脈領域の大脳に割り当てられることと関係がある（図１C）^７。後大脳動脈の発達とともに後交通動脈、前後の脈絡叢動脈,は退縮する。

CS20～21（受精後約52-54日）に前交通動脈を介して左右の前大脳動脈が吻合することでWillis輪が完成するとPagetは述べている^5.6。本邦の標本を用いた我々の検討ではWillis輪の完成はCS22-23頃（受精後55-60日）と、Pagetの報告よりも若干遅かった⁸。人種による差かもしれないが、理由は不明である。

胚子期末（CS23,受精後60日ころ）の特徴

胚子期末の完成直後のWillis輪は成人と比較すると以下のような特徴がある（図２）⁸。

１）　Willis輪は平面上になく、階段状である。また、後部の脳底動脈-後交通動脈との接続領域にはヘアピン状の大きな屈曲がみられる。これは、胚子期の脳胞の中脳上方の強い頭屈（cephalic flexure）や間脳の腹側の形状に沿うためである（図２B）。

２）　強い屈曲部は太く、多くの血管が出る。胚子期末では、大脳の前半部に比べて、中脳、後脳、大脳半球後部の血管は再構成の途上であると考えられる^5.6（図２C）。

３）内頚動脈は蛇行している。また、後交通動脈の分岐点と中大脳動脈とは、成人と比較して離れている。

４）後交通動脈は成人と比較して長い。

５）　椎骨脳底動脈は２本の網状に走るINAが癒合し形成されるため、太さが一様でなくしばしば蛇行する。窓形成（Fenestration）や脳底動脈の重複等もみられることがある。

胚子期末のWillis輪の個体差（variation）

Willis輪の個体差は基本的には成人のそれと同様の部位にみられる。

自験例20例のうちVariationは17例にみられ内訳は—前方部のみ10例（前交通動脈、前大脳動脈）, 後方部のみ１例（後交通動脈）、前方と後方の合併６例である。後方部のvariationは、すべて一方の後交通動脈の径が細い例（hypogenesis）であった。

前交通動脈、前大脳動脈のvariationの例、頻度は図３の通りで、成人^４、胎児、新生児、幼児^9-13でみられるvariationの内訳、頻度と概ね同じであった。前交通動脈の重複は胎児期には優位であると報告される¹⁴.叢状の前交通動脈は胚子期のWillis輪完成前には多くみられることから成人のそれは残存であると考えられる⁶。正中前大脳動脈（Median ACA）は、脳梁等への血液供給を担い、通常は血管再構成によりのちに消失する脳梁中間動脈である。胎児・新生児では64%にみられるが成人でも（3.2～22.0%）に残存する^14,15。前大脳動脈の低形成のため、代償的に正中前大脳動脈が発達する可能性が考えられている。前交通動脈領域にみられた窓形成（fenestration）, 叢状、正中前大脳動脈は、同領域における脳動脈瘤に関与する可能性がある。

後方部を構成する血管（脳底動脈,後大脳動脈、P1領域）やそこから分岐する血管は太く、後交通動脈はそれと同等かやや細いとされている¹⁶。自験例では、後方部のvariationは、いずれも一方の後交通動脈の径が細い例であった。

胎児期から出生まで

Willis輪の血管径は胎児期前半までは、部位による差は顕著ではないが、４ヶ月頃から差が出てくるとされ、後交通動脈はP1に比べ細くなる^17,18。この現象は、上述したように中脳、後脳や後大脳動脈などの後部大脳半球の血流供給が、次第に椎骨脳底動脈系の血流に優位に依存することと関係する。

一方で、P1の血流のない胎児型のvariationは４ヶ月以降にみられ始め、出生時には20%程度にみられると言われる^9,12,13,19。

まとめ

胚子期の脳血管の走行は、脳の成長に伴う需要に応じて、分岐、融合を繰り返す叢状の血流から再構成し確立した血管に変わっていく。このことがvariation,異常例、動脈瘤を生む遡上となっている。Willis輪についていえば、前方部の領域（前後交通動脈、前大脳動脈）は胚子期にすでに多様性がみられ、それが成人期に及んでいる可能性は十分に考えられる。一方、後方部におけるP1の途絶は、胚子期には見当たらず胎児期中期ころからの変化と考えられる。後交通動脈は、胚子標本の一部で低形成がみられる。一方で加齢とともに後交通動脈の狭小化、閉塞をきたすデータも報告されており^６、先天的なもの（hypogenesis）,後天的なもの（萎縮等の退行性変化）の両者を考える必要があると考えられる。

参考文献

Furuichi K, Ishikawa A, Uwabe C, et al. Variations of the circle of Willis at the end of the human embryonic period. Anatomical Rec 2018, 301, 1312-9.

 

はじめに

カーネギー研究所に保存されているEmbryo No.836は、受精後28-32日のStage13という妊娠の最も初期の段階の胚子です。わずか4mm程度の小さい、しかし現在に伝わる最も有名な胚子のひとつです。誕生してほぼ100年間、No.836はヒト胚子学の中心的存在でした。No.836は研究材料として切り刻まれ、そこからイラスト、写真、モデルが作成され、多くの雑誌に登場し、写真集、21世紀に入ると3D,4D化された映画にも登場しています。こんな生命の象徴としてスター街道を歩みつづけたNo836の物語です。

胚子標本の生い立ち

この胚子の生い立ちは、多くを知られている訳ではありません。バージニア西部の田舎に生まれ育った、結婚４年目妊娠歴ない25歳女性がいました。1914年の新年初頭、腹部のしこり、出血を主訴にBaltimoreにある John Hopkins clinicsを受診した彼女は、担当医Dr. Ruselに子宮筋腫の診断で子宮全摘を告げられます。そして2月の月曜の朝、Marylandの婦人科病院で彼女の子宮は取り出されました。それは猛吹雪がちょうどBaltimoreの街を通り抜けて行くまさにそのときであったといいます。その後の彼女についての記録はありません。手術で助かったかどうか。不妊になったその後、彼女がどのような人生を送ったのか、さらに取り出した子宮から小さな美しい娘(1)が宿っていたことを彼女が知ったかどうかも、もはや知ることはできません。

彼女の子宮は摘出後その場であけられ妊娠が確認されるとただちにカーネギー研究所に運ばれて処理されました。病院と研究所でそういう取り決めを以前からしていたからです。1950年代まで妊娠女性の子宮を摘出することは繰り返し行われていました。当時妊娠テストはなく、外科医は決して妊娠を終わらせる意図はなく、摘出した子宮から偶然妊娠が分かるという具合でした。そして、発生学者はその偶然に依存していました。つまり、外科手術は胚子を集める貴重な手段でもあり、また、新鮮で完全な標本は病院から得られた標本であるというのは、間違うことのない事実でした。カーネギー研究所に保管されるStage13の胚子のうち状態のよい”excellent”に分類される個体は26例中9例にすぎず、そのうち7例は妊娠女性の外科手術によるもので、その内訳は子宮摘出5例,子宮切除1例、卵管妊娠1例であったといいます。予期せぬ外科手術による中絶という悲劇から、ヒトの胚子標本は誕生していた訳ですが、当時の状況について付け加えると、摘出され死に絶えたヒト胚子のその後の利用については、当時、倫理的な問題を取り沙汰されることはありませんでした。1900年代初頭、胚子学者以外にとって、それは価値のないものだったのです。こうして多くの名もない胚子が、社会の陰で研究材料として蓄積されて行ったのです。このようにしてカーネギー研究所には、1900年初頭から40年代半ばまでの間に約9,000体の標本が集められたと言います。これがカーネギーコレクションです。

胚子のモデル化

この胚子をカーネギー研究所最初に受け取り解析を行ったのはDr. Herbert McLean Evans(2)でした。Evansはこんなすてきな子をありがとうと、担当医Dr. Ruselに手紙を送ったと言います。研究室に運び込まれたNo.836は、変性しないように固定され写真撮影をされました。研究者の興味は、ヒト胚子の精確な外表、内部構造の記載にありました。そのため、No836は、全身は15ミクロの厚さに正確に切られ247枚の標本に分解されました。続いて、標本のスケッチ、立体像の再構成、イラストの作製に使用されました。立体モデルの作製は技術者Osborne O Heard が担当し、No.836から少なくとも心臓4、血管系1、脳1、外形1の７体が作成されました。彼のモデル作成能力は抜群で、完成したモデルからは多くの図表、イラストが作成されました。イラスト画家としてはDidusch JFが有名で何10もの学術書にNo.836のイラストは採用されました。このようにNo.836は、その美しさ、完璧さから人気を集め、”Kate Moss” of Embryologyとも言われているそうです。

No.836がこのように貴重な標本であったことから、こんなエピソードも残されています。No.836を精力的に解析していたEvansは、1915年カルフォニア大学に教授として栄転するこのになるのですが、研究所長のMallはNo.836を持ち出すことを許可しませんでした。EvansはいずれMallの後継者になるであろうと言われていたほど、その才能を認められており、また、2名は親密でいたのですが、No.836をめぐる三角関係で溝ができ、以後それが埋まることはありませんでした。

新しい可視化スタイル

Heardの模型はお世辞にも美しくはありませんが、美しい必要もありませんでした。胚子学者の興味は上述したように外観、内部構造の正確性が最優先であったからです。一方、60年台になると胚子の可視化には学術的要素だけでなく、教育や娯楽の要素が加わってきました。Lennart Nilssonが1965年雑誌Lifeに掲載した胎児写真は斬新で人々の注目を集めました。バックライトで照らし、暖みのある色、赤ちゃんらしい顔、手足、親指をしゃぶるようなしぐさ等です。また、最近ではTsiaras Aの出版した”Conception to Birth”では、コンピューターグラフィックス等を駆使し、色彩鮮やかで、劇的な可視化を実現しています。

このように時代が代わり表現形が変わっても元をたどるとカーネギー研究所で集められたNo.836を含む胚子標本を用いていることが分かります。Tsiaras Aはこの出版物で「カーネギーコレクションに敬意を表し捧げる」旨表紙裏に書いています。しかしながら、この本のどこを見ても、これらの画像が死んだ胚子標本から創られたものとは思わないでしょう。この本では、胚子は生命の象徴なのですから。こうした書籍は、胚子標本を用いて科学的に正しいものを提供してはいますが、その明るすぎるメッセージ性のために、科学的な負の面、たとえば多くの受精卵は子宮に定着できない、自然流産の多さなどを隠してしまっています。

胚子を動かす

90年代になると胚子標本はコンピューターに取り込まれ高解像度のデジタル画像となります。さらに、その胚子画像に動きが与えられ、生命を吹き込まれました。動画の作成は、グラフィックスの進歩により技術的に可能になったこと、理解しやすい学生用教材の必要性、胚子を扱った娯楽的企画に対する需要、さらにこの分野に多額の研究費が投入されたことが原因で進歩を遂げました。No.836が3次元の世界を飛び回る胚子動画プロジェクトに NIHの予算 300万ドルが投じられました。 virtual embryo, visible embryo- といったプロジェクトでもNo.836はモデルの主役をつとめています。No.836は現在世界で最もよく知られているヒト胚子と言って過言ではありません。No.836はon lineで様々な方向、速さで動く姿を見ることができ、247全断面の組織像も見られます。

No.836に限ったことではなく、すべての集められたヒト胚子には、それぞれ語り継がれるべき物語があります。かつては女性の体内に生を受けたものが、道をそれて、身の毛のよだつような終焉を迎え、小さな肉の切れ端に終わるかと思いきや、研究室へ連れていかれ、科学的に有用な標本となり、それは芸術家の心を捉えるようになりました。3D,4D動画の材料となり、今や、研究者や美術館の資金源にもなっています。

No.836は、単なる死んだ研究標本から、”セレブ”な姿を利用した資金源へ変貌しました。100年の間に胚子をとりまく環境は変わったのです。No.836は、カメラの前で宙返りをしたり、電脳空間を旅したり、テレビ出演のリハーサルをしたりと、死んだ胚子でも長く実りある生活を送れることを示しています。No836はまさに生命の象徴、そう美しく感動的で、不思議に満ちた、すばらしい生の誕生の象徴。我々は、しかし、そういったまばゆいばかりの光の中に覆い隠された、死んだ胚子たちの陰のメッセージにも気づかなくてはならないと思います。

参考文献

Morgan LM: A Social Biography of Carnegie embryo No.836, the anatomical record, 2004の内容を一部改変し記載

注釈

1：この胚子は、Dr. Gasser Rにより核内にBarr bodyがあることがわかり女であると確定されている

2：Herbert McLean Evans1882–1971はカルフォニア大学で成長ホルモンの単離Vitamin Eの発見、生成、構造式の決定など数々の業績を残した。

ドイツのGöttingen大学内にあります。同大学は1737年に創設され270年近い歴史があり13学部を有する総合大学です。45名のノーベル賞受賞者を輩出することでも知られます。

Blechschmidt Collectionは医学部解剖学教室が現在保管しています。高品質の組織切片と64体の精巧な大型模型が特長で、これらは受精後８週間のほぼすべての期間の胚子をカバーしています。64体の胚子はガラスのケースに入れられ全方位から観察可能で、一般公開もされています。これらは外表に加えていくつかの器官系（循環器、呼吸器、消化器、中枢神経、骨格系など）を精確に復元しています。大きさは75cm程の大きさがあります。

2012年9月、私たちは同コレクションを訪れました。建物の地下一階にガラスケースに入れられた胚子模型が整然と並べられ、不思議な雰囲気のする空間でした。

2012.9.24撮影

2015年からGöttingen大学との共同研究で貴重な胚子組織標本やのデジタル化に取り組んでいます。

（ゲッティンゲン大学ヒト胚子コレクションの組織学的解析およびデジタルアトラス作成；基盤(B)(海外)

Ueno S, Yamada S, Uwabe C, Männer J, Shiraki N, Takakuwa T, The digestive tract and derived primordia differentiate by following a precise timeline in human embryos between Carnegie stages 11 and 13, Anatomical Rec 2016,  299, 439-449, DOI: 10.1002/ar.23314s,

Miyazaki R, Makishima H, Männer J, Sydow HG, Uwabe C, Takakuwa T, Viebahn C, Yamada S. The Blechschmidt Collection: revisiting specimens from a historical collection of serially sectioned human embryos and fetuses using modern imaging techniques, Congenit Anom, 2018, 58, 152-157, doi: 10.1111/cga.12261