2021 Fiscal Year Research-status Report
薬効評価機能を有する生体外ヒト由来神経筋接合組織モデルデバイスの開発
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20K20187
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| Research Institution | Osaka Institute of Technology |
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Principal Investigator |
横山 奨 大阪工業大学, 工学部, 講師 (30760425)
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2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 人工骨格筋 / 収縮力 / 薬効評価 / Organ-on-a-chip / 筋オルガノイド / 神経オルガノイド / Neuromuscular junction |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、新薬開発コストの急激な増大が問題となっており、早急な技術革新による新薬開発コストの低減が求められている。有望な薬物分子が細胞に与える変化を迅速かつ正確に評価する技術は、新薬開発プロセスにおいて極めて重要である。これまでは、動物試験が薬物動態を予測する上で重要な役割を果たしており、人体に対する副作用や薬効毒性の評価を担っていた。しかし、動物試験は定量性に劣る面があり、より定量的かつ迅速に薬効評価が行える細胞アッセイツールが求められている。そこで研究代表者は、神経・筋疾患を対象とした創薬過程への細胞アッセイツールとして、神経オルガノイドと筋オルガノイドを接続したNeuromuscular Junction Model-on-a-Chipを開発する。最終的には、本研究の成果を活かした新たな薬効評価技術を確立し、新薬開発コスト削減に貢献することを目的としている。
今年度は、神経筋共培養に向けたデバイスの改良や前年度の成果を活かした筋オルガノイドの収縮力定量評価技術の薬効評価への応用を実施した。
神経筋共培養に向けたデバイスの改良では、細胞にヒトiPS細胞由来神経細胞とマウス筋芽細胞株C2C12を選定し、神経―筋接合を目指したデバイスを複数試作した。既存の筋収縮力評価デバイス上に神経細胞培養基板を接合する新たなデバイスを着想し、現在評価試験を実施中である。今年度も引き続き、神経オルガノイドと筋オルガノイドの接続に取り組む。
収縮力定量評価技術の薬効評価への応用では、フラボノイドの一種を培地に混合することで収縮力の発達時期に変化が現れることを確認し、薬効評価技術として有用であることを確認した。筋オルガノイドの成熟に伴う収縮力変化の基礎データを収集し、適切な薬物の投与タイミングを決定した。また、筋オルガノイド成熟度のバラツキに薬効による筋収縮力変化を適切に評価可能な解析手法を確立した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では、ヒト由来細胞を利用した筋オルガノイドの作製および生体と類似した神経筋接合部を有する神経筋オルガノイドを1チップ上で接合し、ヒト由来神 経筋接合組織モデルデバイスを作製すること、さらに筋オルガノイド収縮力評価機構と組み合わせることで、神経・筋疾患に対して“力”を利用した定量的薬効 評価技術を実用化することを目的としている。初年度となる2020年度は主に、神経筋オルガノイドの接合と生化学的評価および神経筋接合部の機能評価機構としての役割を果たす筋オルガノイドの収縮力定量化デバイスの開発に取り組んだ。筋オルガノイドの一端をPDMSピラーに取り付け、PDMSピラー先端の移動距離をImage Jを利用して解析し、非侵襲的かつ連続的に定量化する手法を確立した。筋オルガノイドに対して1Hzの周波数で電気刺激を印加すると、PDMSピラー先端部は周期的に変動することが確認できた。より正確な定量化を実現するために、ヤング率が既知のガラスニードルとクロスキャリブレーションを実施した。この結果を基に、複数のPDMSピラーから最適な形状(直径と長さ)を決定した。以上の過程を経て、筋オルガノイドの収縮力を簡易的かつ経時的に評価可能なデバイスを完成させている。2021年度には、神経オルガノイドとの接合、神経筋接合部の作製と薬効評価技術としての確立に取り組んだ。当初想定していたヒト神経芽細胞腫(SH-SY5Y)では神経軸索の伸張が十分ではなく、ヒトiPS細胞由来神経細胞へ変更した。そのため、培養準備や筋オルガノイドとの共培養プロトコルの確認に時間を取られ想定より進捗が遅れている。一方、既に複数の対象化合物での薬効評価を実現しており、投与タイミングや解析手法を含め薬効評価技術としては実用化が視野に入る段階にまで到達している。
以上を総合し、おおむね順調に進展していると評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度は、引き続き神経オルガノイドの作製と神経軸索の筋オルガノイドへの誘引手法の確立を通じて、1チップ上での生体と類似した神経筋接合部の実現を目指す。2021年度に検討した、PDMSマイクロチューブ内にSH-SY5Y神経軸索を誘引する取り組みは、神経軸索の伸張長さが十分ではないため放棄した。代替として、2021年度末にヒトiPS細胞由来神経細胞へ変更し、培養準備や筋オルガノイドとの共培養プロトコルを確認済みである。筋オルガノイドとの共培養が可能であることが確認されたため、PDMSマイクロチューブなどを用いて異種培地の混合を回避する必要は無くなった。そこで、2022年度はよりシンプルな形状を指向し、筋オルガノイドを支持する２つのピラーの一端、キルシュナー鋼線側に貫通させる形で神経細胞培養基板を設置し、神経―筋接合を実現する。
2021年度までの成果から筋オルガノイドの成熟パターンによる筋収縮力への影響を把握することができた。これらの成果から、筋収縮力による薬効評価技術は確立したと考えており、上述の神経―筋接合の実現により当初の構想通りNeuromuscular junction model-on-a-Chipを実現する予定である。
Neuromuscular junction model-on-a-Chipの完成後は、現在、筋オルガノイド単体で実施している薬効評価や各種刺激与えることで、筋オルガノイド単体での応答と神経筋接合組織モデルの応答を比較検討する。Neuromuscular junction model-on-a-Chipの優位性を確認し、本デバイスを活用することで、医薬品だけでなく機能性食品やサプリメントの開発など、効率良くヒトに効果のある製品開発への応用を目指す。
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| Causes of Carryover |
民間企業との共同研究費によりCO2インキュベーターを導入することができ、その費用を消耗品に充当することができた。コロナウィルスの流行により、出席予定であった学会などが中止やオンラインに移行したため、旅費が0となった。以上の２つが主要因である。次年度となる2022年度は、当初予定の通り論文投稿関連の費用に充当する。
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Research Products
(5 results)
