生物医学研究におけるオルガノイド：機会と課題
オルガノイドは、幹細胞やその他の前駆細胞からin vitroで培養され、特定の臓器や組織に存在する細胞タイプに分化する能力を持つ三次元の小型臓器・組織モデルです。これらは人間の臓器の構造と機能を忠実に模倣しており、人間の発生、疾患モデリング、薬物発見、個別化医療の研究において貴重なツールとなっています。
アドリエン・L・ワトソン博士著
ワールド・プレシジョン・インスツルメンツ チーフサイエンティフィックオフィサー
オルガノイドの応用
オルガノイドは、生物医学研究および薬物開発において幅広い応用があります：
- 疾患モデリング： オルガノイドは、遺伝子編集と患者由来の技術と組み合わせて、がん、嚢胞性線維症、神経変性疾患などの疾患モデルとして成功裏に使用されており、疾患の進行や治療反応に関する貴重な洞察を提供しています。これらの疾患モデルオルガノイドにより、より生理学的に関連したモデルで疾患のメカニズムを研究することが可能になりました。より良い前臨床疾患モデルは、疾患の進行理解と個別化治療戦略の開発につながり、オルガノイドはより単純な生物学的モデルに対して優位性を持ちます。
- 薬物スクリーニング： オルガノイドは、従来の二次元細胞培養と比べて人間の生理学により近い薬物スクリーニングおよび試験のプラットフォームを提供します。オルガノイドは、他の細胞培養モデルよりも生理学的に関連性が高い一方で、動物モデルほど複雑で研究が難しくないという独自の特徴があります。実験室で多数のオルガノイドをスクリーニングできる能力は、潜在的な治療薬の特定、毒性と有効性の評価、薬物反応の予測をより正確かつ効率的に行うために活用できます。
- 発生生物学： オルガノイドは、臓器の成長、組織の生成、発生過程におけるその他の重要な生物学的プロセスを研究するために使用できます。培養条件を操作することで、特定の細胞タイプがどのように相互作用し、分化して複雑な構造を形成するかを調査でき、正常な発生や再生医療の可能性に関する洞察を提供します。
- 精密医療: オルガノイドは患者特異的なオルガノイドモデルで薬物反応や治療オプションを試験することで、個別化医療の進展に貢献する可能性があります。患者特異的な細胞を分離したり、遺伝子編集でさまざまな疾患や表現型に関連する遺伝的変化を加えたりすることで、オルガノイドは個々の患者の独自の遺伝的特徴や疾患特性に基づいて最も効果的な治療法を特定するために活用できます。
- 疾患メカニズムと病態生理: オルガノイドは疾患の発症メカニズムの分子および細胞レベルの研究プラットフォームを提供します。オルガノイドモデルを解析することで、研究者は疾患の進行を理解し、重要なシグナル伝達経路を特定し、介入のための潜在的な治療標的を発見できます。
オルガノイドの進化
オルガノイドは2000年代に、幹細胞から臓器特異的な構造を育てる方法が初めて開発されたことで可能になりました。それ以来、この分野は急速に拡大し、技術の進歩によりより複雑で機能的なオルガノイドの生成が可能になりました。特殊な培養液、3D足場、マイクロ流体システムの開発を支える技術が進歩し、オルガノイドの成長と成熟を支援することで、研究者が生物学的および病理学的モデリングを行う能力が向上しました。さらに、オルガノイドを解析する技術により、このプラットフォームは疾患メカニズムの理解や、重要なことに治療スクリーニングや創薬に利用されています。
研究におけるオルガノイドの利点
オルガノイドは他の研究および前臨床モデルに比べていくつかの利点を提供しますが、制限もあります：
標準的な細胞培養
オルガノイドは、従来の2D細胞培養と比べてより生理学的に関連性の高いモデルを提供します。オルガノイドは実際の臓器の複雑さと構造を再現し、組織の構造と機能をより正確に表現します。また、疾患の表現型や薬物への反応をより良く再現することができます。しかし、オルガノイドは標準的な細胞培養と比べて確立および維持が難しく、専門的なプロトコルと技術が必要です。オルガノイド用のプロトコルは標準的な細胞培養ほど確立されておらず、標準化の問題やこれらのモデルを確立するために多大なリソースが必要となります。
3D細胞培養
オルガノイドと3D細胞培養はどちらも細胞を三次元で培養しますが、オルガノイドは実際の臓器の構造と機能をより密接に模倣した複雑な構造です。オルガノイドは複数の細胞タイプを含み、組織特異的な機能を示すため、臓器の発生、疾患、薬物反応のモデル化により適しています。一方、3D細胞培養は通常、単一の細胞タイプまたは単純な多細胞構造の成長に焦点を当てます。オルガノイドは複雑な構造の発達に特定の組織化が必要であり、培養で模倣するのが難しいため、確立がより困難で高価です。これにより、オルガノイドは確立や実験が難しくなります。
オルガンオンチップシステム
オルガノイドとオルガンオンチップ技術は、人間の生理学や疾患のモデル化において補完的なアプローチとなり得ます。オルガノイドはしばしば異なる細胞タイプを物理的に組み合わせますが、オルガンオンチップシステムはマイクロ流体技術とバリアを用いて細胞間の動的な相互作用を模倣します。オルガンオンチップシステムは、多様な細胞や液体間の微小環境と相互作用を精密に制御できます。オルガノイドは一般的に単一の組織や臓器を模倣しますが、オルガンオンチップデバイスは多様な組織や臓器とそれらの相互作用をモデル化できます。
動物モデル
オルガノイドは、人間の生物学や疾患を研究するための動物モデルに代わる倫理的で低コストな選択肢を提供します。オルガノイドは人間の細胞から作られるため、研究者は患者特異的な文脈で疾患のメカニズムや薬物反応を調査できます。しかし、オルガノイドは全身の相互作用や複雑さを完全に再現できない場合があり、特定の研究課題における有用性が制限されます。動物モデルは複雑な生理学的プロセス、全身反応、in vivo薬物試験の研究に依然として価値があります。さらに、動物は薬物の送達や投与量の理解のためのプラットフォームを提供し、臨床画像診断、手術、その他のin vitroシステムでは再現できない手技を可能にします。
新興のオルガノイド市場
オルガノイド市場は、この技術がより普及し利用しやすくなるにつれて、今後数年間で大幅に成長すると予想されています。複数の企業や研究機関がオルガノイドを基盤とした製品やサービスの開発と商業化に積極的に取り組んでいます。世界のオルガノイド市場は、パーソナライズド医療の需要増加とより予測的な前臨床モデルの必要性により、2025年までに16億ドルに達すると予測されています。
World Precision Instruments（WPI）は、標準的な細胞培養モデルからオルガノイド、オルガンオンチップ、動物モデルに至るまで、他の前臨床モデルの開発と評価を支援するのと同様に、今日のオルガノイド研究を支援する製品と技術を提供しています。オルガノイドは、WPIが現在、細胞培養実験用の実験室用品や消耗品、オルガノイドを可視化するための標準顕微鏡およびライブセルイメージング機器、オルガノイドの成長、維持、解析を支援するマイクロ流体技術を提供することで支援している前臨床プラットフォームを提供します。オルガノイドはしばしば特定の細胞タイプを欠き、複数の組織や臓器の相互作用を表現できません。さらに、血管系およびリンパ系をモデル化できないこともオルガノイドの制限の一つです。オルガノイドをオルガンオンチップや他のマイクロ生理学的システムのようなマイクロ流体デバイスと組み合わせることで、研究者は両技術の側面を取り入れたより生理学的に関連性の高いモデルを作成し、オルガノイドを用いた薬物試験や疾患モデルの精度を向上させることができます。WPIは、オルガノイドと相乗効果を持つ技術、オルガンオンチップシステム、マイクロ流体技術、ゲノム編集を含む技術の支援に取り組んでいます。
WPIの基盤技術の一つである経皮電気抵抗（TEER）測定は、オルガノイド研究に統合され、研究者が現在のオルガノイド研究のいくつかの制限を克服することを可能にしました。TEERは、オルガノイドの生成前にオルガノイドに使用される細胞に対して機能的検証と品質管理のために実施され、最終的にオルガノイドがしばしば示す異質性を減らし、再現性を向上させます。オルガノイド生成前に細胞を評価することで、研究者は出発材料とプロトコルを標準化し、変動を減らしてより意味のあるデータを生成できます。オルガノイドは機能的評価が難しく、主に顕微鏡が使用されますが、TEERはバリアの完全性を非侵襲的に測定し、オルガノイドの機能的な指標を提供する方法を提供します。過去2年間で、オルガノイド研究におけるTEER測定の有用性を示すいくつかの論文が発表されています：
Varaniら、「細胞-マトリックス相互作用はヒト結腸オルガノイドのバリア機能に寄与する」、2019年。
WPIのEVOM技術によりTEER測定が可能となり、ヒト結腸オルガノイドにおける細胞と基底膜の相互作用を評価し、細胞-マトリックス相互作用が結腸のバリア完全性に大きく寄与していることを示しました。
Horiら、「ヒト胎盤バリアの栄養膜幹細胞ベースのオルガノイドモデル」、2024年。
WPIのEVOM装置によるTEER測定により、栄養膜幹細胞由来のヒト胎盤オルガノイドモデルのバリア完全性と成熟度が示され、胎盤バリアを通過させるまたは避ける化合物の薬物開発を促進する方法を理解する理想的なモデルを提供しました。
Varaniら、「ヒト結腸オルガノイドにおける炎症促進活性を抑制しバリアを改善するための多鉱物介入」、2023年。
TEERはWPIのEVOM™技術を用いて測定され、ヒト結腸オルガノイドを用いてモデル化された炎症性ヒト結腸のバリア完全性に対する様々な化合物の効果を示しました。
Warschkauら、「3Dから2Dへ：様々な種の腸オルガノイドの細胞培養インサート上での二次元培養プロトコルの調和」、2022年。
WPI製造のMillicel ERS-2は、2D培養からオルガノイドの発達を最適化し、組織バリア機能を模倣し、機能的オルガノイド培養における電気生理学的タイトジャンクションを発達させるために使用されました。
Salariら、人間コロノイド-筋線維芽細胞共培養による頂端Naの研究。+/H+ 下部クリプトネック領域の交換体、2023年。
WPIのEVOM™ TEER測定は、単一培養細胞と比較して共培養された筋線維芽細胞-結腸上皮細胞の細胞間輸送機能を定量化するために使用され、結腸クリプトの空間的に組織化された機能性がオルガノイドシステムでより良くモデル化されていることを示しました。
Deleuら、「高酢酸濃度が潰瘍性大腸炎患者由来のオルガノイド上皮単層培養において腸バリアを保護し抗炎症効果を発揮する」、2023年。
EVOM™で測定されたTEERは、潰瘍性大腸炎患者由来のオルガノイドベースの単層培養において、高酢酸濃度が炎症およびバリアの完全性に与える影響を前臨床的に評価するために利用されました。
まとめると、オルガノイドは生物医学研究および創薬の進展において強力なツールとして登場し、標準的な細胞培養、3D細胞培養、オルガンオンチップシステム、動物モデルに比べて独自の利点を提供しています。WPIはオルガノイド研究プラットフォームを支援しており、WPIのTEER技術はバリア機能の評価や創薬開発においてオルガノイドの機能的評価に重要な役割を果たしています。WPIはオルガノイドの既存の限界を克服するための追加技術の開発と統合を継続しており、さまざまな疾患を研究する異なる研究室でこの技術の広範な採用への道を切り開いています。複数のin vitroおよび前臨床モデルの強みを活用し、それぞれの限界に対処することで、研究者はヒトの生物学および疾患を研究するためのより予測的で翻訳可能なモデルを開発できます。
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