2025/7/29

オルガノイドで加速するパーキンソン病・アルツハイマー病研究と創薬

By Oksana Sirenko, Ph.D., for Biocompare

神経変性疾患の理解と治療に向けた探求は、3D脳オルガノイドの登場によって新たな時代に入りました。ヒト人工多能性幹細胞（hiPSC）由来の脳オルガノイドは、従来の2D培養や動物モデルに比べ、ヒト脳の複雑な構造、機能、細胞間相互作用をより忠実に再現します。これらの3D培養を生成・維持するプロトコールは難易度が高い場合がありますが、現在では、スケーラブルなプラットフォーム技術を用いて作製された信頼性の高い検証済み3Dオルガノイドが市販されています。この革新により、神経変性疾患のメカニズムを研究し、候補治療薬をより高い精度、再現性、スケーラビリティで評価するための全く新しい道が開かれています。

3Dでヒトの脳をモデル化

平面的な2D培養は細胞挙動を過度に単純化しがちであり、動物モデルはヒトへの翻訳性に乏しいことが多いのに対し、3D脳オルガノイドはヒト脳の複雑な環境をより正確に再現します（図1）。これらの小型で自己組織化する脳組織は、前脳や中脳など異なる脳領域を想起させる構造を形成し、ニューロン、アストロサイト、グリア細胞など多様な細胞型の成熟をサポートします。*1-6

図1. 脳オルガノイド クレジット: モレキュラーデバイス

ヒト多能性幹細胞（hPSC）から大脳オルガノイドを生成する初期の方法は、Madeline Lancasterらによって開発されました *5。このプロトコールは、ヒト脳の発生や疾患のモデル化に広く利用されています。もう一つの一般的なプロトコールでは、誘導多能性幹細胞を指向的に分化させ、領域特異的な皮質スフェロイドを形成します *6。これらの方法は60日以上を要し、成熟したニューロンやアストロサイトを含む構造化されたオルガノイドを形成します。イメージング手法により、オルガノイドの細胞構成や構造を特徴づけることができ、機能的な活動は電気生理学、マイクロ電極アレイ（MEA）、またはカルシウムオシレーション活動の記録など、さまざまな技術で捉えることが可能です。

別のアプローチとして、事前に分化させたiPSC由来のニューロンおよびアストロサイトを混合し、コンパクトな脳マイクロティッシュを形成する方法があります。数週間以内に、これらのニューロスフェロイドは一貫した自発的振動活動を示すようになり、MEAによる記録や、FLIPR Penta システムやFDSS/μCellといった高速動態記録装置によるカルシウムオシレーションのイメージングによって検出可能です（図2）。このような3D神経モデルは、神経活性化合物に対する応答評価や神経毒性の検証において、実用的な成果を挙げております *7,8。

図2. カルシウムオシレーション クレジット: モレキュラーデバイス

さまざまな多次元モデルは、ADやPDのような疾患が細胞レベルでどのように進行するかを調べるための貴重なツールを研究者に提供します。オルガノイドは、細胞間相互作用、拡散勾配、組織形態といった重要な特徴を保持することで、in vivo組織の複雑性をシミュレートします。脳オルガノイドでは、アミロイドβプラーク形成やタウ病理といったADの特徴的所見を観察できるほか、PDに関連するドーパミン作動性ニューロンの変性もモデル化可能です*9-10。これらのモデルは疾患の特徴を再現するだけでなく、ヒト由来組織で行われるため、臨床的関連性が高まります。

脳細胞とその機能の特徴づけ

脳オルガノイドの主要な強みは、神経細胞ネットワークを保持できる点です *1-6。共焦点イメージングや差別染色技術により、組織内のニューロンや支持細胞の構造を可視化・特徴づけることができます。アストロサイトやグリア細胞もニューロンとともに同定・解析され、神経変性における役割を理解することが可能です。

機能的成熟度はカルシウムイメージングによって評価されます。この強力な手法は、神経活動やネットワーク機能性の指標である同期したカルシウムオシレーションを明らかにします。iPSC由来の脳オルガノイドは、MEA技術やイメージングによるカルシウムオシレーションの可視化を通じて捉えられる機能的活動を示し始めます *8,10,11。疾患モデル化では、疾患関連の特定変異を導入したり、既知または未知の疾患関連遺伝子を有する患者由来iPSCサンプルからオルガノイドを生成することができます。

疾患モデル化

in vitroシステムは、疾患関連の特定変異を有するiPSCラインから細胞を誘導することで、アルツハイマー病やパーキンソン病などの神経疾患をモデル化する有望な手段です。変異はiPSCの遺伝子改変によって導入するか、関連変異を持つ人物から取得します。興味深いことに、疾患関連のApoE 4/4遺伝子変異を有するiPSC由来ニューロンから作製された3Dニューロスフェロイドは、カルシウムオシレーションの機能的プロファイルに変化を示しました *2,7。さらに、アルツハイマー病治療に使用される一部の薬剤（例：メマンチン）は、変化したカルシウムオシレーションパターンを「補正」し、表現型を正常に戻しました。このようなモデルは、疾患関連の活動表現型を補正できる化合物を同定するアッセイとして利用できます。

3Dバイオロジーの採用は、創薬とスクリーニングの方法における大きなパラダイムシフトを意味します。従来の創薬は、ヒトの結果を予測する能力が低い2Dシステムや動物モデルに依存しており、臨床試験での高い失敗率につながっていました。これに対し、オルガノイドは患者応答をより正確に反映するヒト由来モデルを提供します。

創薬におけるパラダイムシフト

脳オルガノイドの最も革新的な応用の一つは、創薬と医薬品開発です。オルガノイドは、薬剤の安全性、有効性、毒性を評価するための高度に制御されたヒト関連環境を提供します。microBrain 3Dニューロスフェロイドを用いた一連の実験では、研究者はオルガノイドを既知の神経活性物質や環境毒素に曝露しました。ハイスループットイメージングとキネティック蛍光解析を用いて、化合物によるカルシウムオシレーションパターンの変化を検出しました。これは神経活動の障害または回復の指標となります *8,12。

例えば、レット症候群由来ニューロスフェロイドでオシレーションパターンを修飾した化合物は、潜在的な治療薬候補として注目されました *12,13。このアプローチにより、有望な薬剤候補の早期特定や、神経毒性を引き起こす可能性のある化合物の排除が可能となり、臨床開発における時間、コスト、潜在的なリスクを削減できます *11。活性化パターンの修飾は、潜在的な神経毒性や神経発達への影響を示すものであり、薬剤やその他の化学物質の神経毒性評価に利用できます。オシレーション波形のパターンを検出するピーク解析ソフトウェアは、影響を記述するために使用できる20以上の記述子を提供します *8,12。

自動化、AIによる意思決定、ハイスループットスクリーニングの融合が、このシフトを加速させています。研究者は現在、脳オルガノイドの培養とスクリーニングをスケール化するための自動化ワークフローを試験しており、再現性を高め、手作業を削減しています *14。標準化されたプロトコールにより、プラットフォーム技術を用いた検証済みのアッセイ対応オルガノイドの作製が可能となり、ハイスループット化合物試験を実現します *15,16。

オルガノイド技術産業化の展望

バイオプロセシング技術は、オルガノイド研究におけるスケーラビリティの課題を克服し、大量の均一なアッセイ対応オルガノイドの生産を可能にします。標準化モデルは一貫性を高め、産業レベルの創薬スクリーニングパイプラインでの利用を可能にします。先進的なシステムでは、最適化された半自動プロトコールに従って、iPSCから背側前脳オルガノイドを培養できます。これには、神経誘導、分化、成熟といった重要なステップが含まれ、すべて自動化された培地交換、イメージング、モニタリングによってサポートされます *17。

脳オルガノイドは、神経科学研究と創薬を変革しています。ヒト脳の構造と機能を3Dで再現することで、アルツハイマー病やパーキンソン病などの疾患をより代表的にモデル化します。これらのモデルは、疾患メカニズムの解明、脳細胞の挙動の特徴づけ、候補治療薬の評価を比類なき精度で可能にします。ハイコンテントイメージング、自動化、AI解析と組み合わせることで、脳オルガノイドは創薬初期段階におけるスケーラブルで予測性の高いプラットフォームを提供します。この新興技術は、次世代の生物医学研究の基盤となり、神経変性疾患に苦しむ患者への新規治療薬のベンチから臨床への移行を加速させることを約束します。

参考文献

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本記事は、Biocompareにて初出掲載されたものであり、許可を得て転載しております。

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