バイオマテリアルのレビュー：3D組織モデルの研究の進歩と前臨床応用

出典: EngineeringForLife

従来の二次元 (2D) 細胞培養と動物関連の実験では、薬物の毒性と臨床効果を正確に評価するのに限界があり、薬物開発プロセスをより困難にしています。 3 次元 (3D) の in vitro モデルは、in vivo 条件を正確にシミュレートし、候補薬の臨床的有効性と毒性をスクリーニングする能力を向上させる代替プラットフォームとして登場しました。研究により、3次元モデルは人体の複雑な組織構造を正確に表現でき、疾患モデリングに広く使用できることがわかっています。バイオメディカル、材料、工学の分野では、さまざまな 3 次元 in vitro モデルの作成において大きな進歩を遂げてきました。従来のモデルと比較して、これらのモデルは病気の進行や薬効の予測能力に優れており、新薬の研究開発のためのより効果的なプラットフォームを提供します。最近、ペンシルベニア州立大学の Ibrahim T. Ozbolat 教授と Gannan Medical College の Peng Weijie 教授のチームが、3D 組織モデル：バイオ製造技術と前臨床アプリケーションに関するレビューを実施しました。この結果は、11月27日に「3D組織モデルに関する包括的レビュー：バイオファブリケーション技術と前臨床アプリケーション」というタイトルでBiomaterialsに掲載されました。

このレビューでは、肝臓、骨、消化管、腎臓、心臓、脳、軟骨など、複数の臓器や組織における薬物スクリーニングや疾患モデリングなどの前臨床アプリケーションにおける 3 次元 in vitro 組織モデルの使用に関する最近の進歩に焦点を当てています。特定の臓器の 3 次元モデルを作成するための戦略とその利点と落とし穴についても説明します。さらに、この記事では、生理学的微小環境に関連する 3 次元モデルの構築に関する将来の考慮事項について説明し、知的財産、業界の発展、規制の状況に関する独自の視点を提供します。

図 1. 特定の臓器の疾患モデル化と薬物スクリーニングのために、さまざまな細胞ソースを使用した 3D 組織モデルの製造プロセス。

過去数十年にわたり、疾患モデリングや薬物スクリーニングなどの前臨床アプリケーションのためのさまざまな種類の 3 次元 in vitro モデルの製造において大きな進歩がありました。これらの進歩は、医薬品分野への応用に新たな機会をもたらします。この記事では、図 1 に示すように、肝臓、消化管、腎臓、心臓、脳、骨、軟骨など、さまざまな臓器や組織の薬物スクリーニングや疾患モデリングのための 3 次元 in vitro 組織モデルの最近の進歩について説明します。この記事では、特定の臓器の 3D モデルを作成するための現在のバイオファブリケーション技術についても説明し、その利点と限界について説明します。

1. 3D組織モデルを構築するためのバイオファブリケーション技術

2D モデルと比較した 3D モデルの利点は広範囲に研究されており、3D モデルバイオファブリケーション技術の進歩が加速しています。このセクションでは、図 2 に示すように、スフェロイド、ハイドロゲルスキャフォールド、マイクロ流体、オルガノイド、バイオリアクター、3D バイオプリント組織など、3D モデルを開発するためのさまざまなバイオファブリケーション技術に焦点を当てています。

図2 3D組織モデルの構築に使用される一般的なバイオファブリケーション技術

1.1 球状モデル

スフェロイドは、強力な細胞間接着を持つ細胞クラスターで、小さな組織片に似ており、さまざまな技術を使用して生成できます。これまで、球状体モデルは、細胞が最初にクラスターを形成し、次に小さな懸濁液に集まる方法であるハンギングドロップ法を使用して成長していました。この技術は、一般的な試験管、ガラス、ウェルプレート内で球状細胞を培養するために使用できます。薬物評価の分野において、ハンギングドロップ技術の主な問題は、細胞培養容積が限られているため、特に培地交換が必要な場合に薬物導入プロセスが複雑になり、ハイスループットアプリケーションでの使用が制限されることです。別の方法として、プラスチック表面への細胞接着を阻害する非反応性基質でコーティングされたウェルを使用することで、より大きな培養容量で球状細胞を生産することができます。低接着ウェルは細胞間相互作用を促進し、球状構造の形成を促進します。この技術は、腫瘍スフェロイド内の薬物反応を研究するためによく使用されます。この技術は操作が簡単で、低コスト、再現性が高く、さまざまな腫瘍細胞株と互換性があるため、中規模および大規模スループットの薬物スクリーニングに適しています。しかし、球状細胞は培養培地内で自由に浮遊し、培地交換プロセスを妨げるため、その柔軟性は限られています。一部の細胞株は、接着因子の発現が限られているため、低接着環境では自然に球状構造を形成することができません。

1.2 ハイドロゲル足場
ECM と細胞との相互作用、およびこの相互作用が細胞の形態と生物学的変化にどのように影響するかは、薬物スクリーニングにとって特に重要であり、研究者は 3 次元モデルのバイオファブリケーションに ECM のような生体材料を使用するようになりました。その中で最も一般的なアプローチは、天然の ECM に似た特性を持つハイドロゲルに細胞をカプセル化することです。ハイドロゲルの製造に使用される材料の供給源に応じて、天然ハイドロゲルと合成ハイドロゲルの 2 つのカテゴリに分類できます。

1.3 新たなバイオ製造技術 マイクロ流体工学と臓器オンチップ技術に基づく微小生理学的システムは、常に 3 次元モデルを製造するための高度なプラットフォームとなっています。これらの技術により、細胞間および ECM 間の相互作用と灌流機能の制御が可能になりますが、細胞間および細胞と ECM 間の相互作用をマイクロプレート形式の高スループットスクリーニングツールに適用することは困難です。対照的に、3D バイオプリンティングは、調整可能な ECM コンポーネントを組み込んで生体内の状態を模倣できる高スループットの 3D モデルを作成するための確立されたテクノロジーです。これらの特徴により、この技術は薬物スクリーニングに特に適しています。

図3 3D組織モデルを構築するためのバイオファブリケーション技術の利点と欠点

2. 薬物スクリーニングと疾患モデリングのための3D組織モデル

2.1 肝臓肝臓は恒常性を維持する主要な臓器であり、アミノ酸、脂質、生体異物、タンパク質、グルコース、凝固因子の代謝、胆汁の生成に重要な役割を果たします。過去 10 年間、肝臓の機能を模倣する肝臓モデルの開発に多くの研究努力が注がれてきました。肝疾患に関わるメカニズムや薬物の効果を研究するために使用されます。 2 次元培養された初代ヒト肝細胞 (PHH) は、薬物の効果と毒性を評価するための重要なモデルです。しかし、このモデルでは肝細胞機能が急速に失われる可能性があります。他の肝細胞株も、機能不全や研究のための生体内微小環境の欠如によって制限されています。 3 次元肝細胞モデルは、肝疾患の研究や薬物代謝および薬物動態 (PK) の評価に有望です。肝機能研究のために、一連の異なる 3 次元肝疾患モデルが開発されており、急性および慢性の薬物肝毒性、肝線維症、脂肪肝、肝硬変、肝臓がんの薬物スクリーニングの予測に使用できます。 3次元モデルは肝疾患のメカニズムをより正確に明らかにすることができ、より優れた薬物スクリーニングプラットフォームとなります。

図4 ドキソルビシン（DOX）やシスプラチン（CIS）などの抗がん剤のスクリーニングのための3次元内皮化肝腫瘍モデル

2.2 消化管 消化管とは、胃から肛門までの消化管を指し、胆嚢、小腸、大腸、直腸が含まれます。消化器系の主な経路であり、食物の消化、栄養素の吸収、免疫保護、ホルモン合成に重要な役割を果たします。胃腸疾患の発生率の高さは、依然として公衆衛生に影響を及ぼす重要な問題です。この健康問題に関する研究は増加しており、前臨床薬物試験はin vitroモデルから得られたデータに依存しています。最近の3次元手法に関する研究がさらに応用されています。薬物評価や個別化疾患モデリングのために、3次元消化管モデルが開発されています。

図5 消化管の3次元薬物スクリーニングモデル

2.3 腎臓腎臓は薬物毒性の影響を受ける主要な臓器の一つであり、腎臓障害の初期段階を検出することは困難です。患者は通常、腎臓がひどく損傷するか、腎不全になるまで気づきません。統計によると、新薬開発段階で臨床試験に参加した候補薬の30%が、予期せぬ腎毒性や副作用のために臨床試験プロセスから撤退しています。したがって、信頼性の高い腎毒性予測モデルは、臨床投薬の安全性を確保し、医薬品開発のリスクを大幅に低減することができます。近位尿細管は腎臓の敏感な領域であり、薬物の代謝と排泄は通常、尿細管上皮細胞で起こります。したがって、腎毒性の早期予測は近位尿細管に大きく依存します。

図6 糸球体を模した3次元球状モデルは、薬剤の迅速なスクリーニングに役立ちます

2.4 ハート

薬剤誘発性心毒性は、心筋壊死、心筋梗塞、重篤な致死性不整脈などの重篤な心血管疾患を引き起こす可能性があり、薬剤開発の中止や市場からの撤退につながる可能性があります。抗ヒスタミン薬テルフェナジンはそのような薬剤の一例であり、心臓のカリウムチャネルを遮断し、活動電位の延長と心電図（ECG）で観察されるQT間隔の大幅な延長をもたらします。最終的には重篤な不整脈を引き起こし、死に至る可能性もあります。抗生物質、鎮静剤、抗うつ剤などの薬にも同様の効果があります。心毒性は通常、細胞培養で評価されますが、これでは人体の組織内の状況を現実的に把握することはできません。一方、動物モデルは人間への翻訳上の関連性がないため、3 次元の人間の心臓モデルの使用が望ましいアプローチです。

図7 正常人体から採取した心臓線維芽細胞とiPSC-CMを用いた組織生成の模式図

2.5 骨と軟骨 多くの研究により、3 次元モデルの細胞は 2 次元モデルの細胞とは異なる形態を持つことが示されています。細胞の形態は、細胞の成長、成熟、プログラムされた細胞死、遺伝物質やタンパク質の合成に大きな影響を与えます。 2次元で培養した骨芽細胞や軟骨細胞と比較すると、3次元で培養した細胞の増殖率は低かった。さらに、いくつかの研究では、3D モデルには骨形成や軟骨形成を促進する能力があり、3D 細胞は一般に生体組織と実質的に類似した遺伝子発現プロファイルを持つことが示されています。この研究では、骨や軟骨のモデルによって薬剤に対する感受性が異なることも判明した。細胞は 2D モデルよりも 3D モデルでより大きな薬剤耐性を示すことが多く、2D モデルは生体内での薬剤反応のよりよい媒体となる可能性があります。

図8 スキャフォールドベースのアプローチを使用したPLMAハイドロゲルの製造とin vitro OSモデルの作成
2.6 脳世界中で約6人に1人が、統合失調症、てんかん、アルツハイマー病、脳腫瘍などの神経疾患に罹患しています。現在、研究者は主に従来の動物モデルに頼っていますが、動物モデルにはコストが高く、時間がかかるなどの制限があり、動物による治療は臨床試験で失敗することがよくあります。そのため、神経疾患の原因と進行を理解するために、研究者は神経疾患をよりよく明らかにし、潜在的な治療法や薬を発見するための代替モデルを探しています。 3次元神経組織の複雑さを模倣する神経オルガノイドは、創薬分野における主要なモデルです。

図9. ヒト脊髄オルガノイド組織（hSCO）の生成プロセス

III. 生理学的に適切な微小環境を確立するための要件

組織の構造と機械的特性は、幹細胞の分化、癌の進行、抗癌治療への反応など、さまざまな生物学的活動の調節に重要な役割を果たします。微小環境（ECM の組成、硬度などを含む）は細胞の挙動を制御し、細胞が周囲の ECM 環境にどのように反応するかを決定します。効果的な薬物スクリーニングのための生体模倣 3D モデルを作成するには、細胞、生体材料、製造方法、刺激を適切に組み合わせることが重要です。一般的に言えば、微小環境は組織の物理的、化学的、生物学的特性によって反映されます。物理的特性には通常、ECM の配置、剛性、組織の微細構造が含まれます。化学的特性には ECM 成分とサイトカインが含まれ、生物学的特性には細胞の構成と細胞間相互作用、オートクリンとパラクリン、血管と神経の神経支配などが含まれます。効果的な in vitro 薬物スクリーニング装置を設計するには、細胞、生体材料、製造方法、およびその後の組織成熟プロセスを選択する際に、3 つの特性すべてを考慮する必要があります。

IV. 知的財産、産業、規制環境 3次元モデルは医薬品開発の分野で動物モデルを置き換える可能性を秘めていますが、医薬品開発プロセスでは研究者、業界、規制当局の共同の取り組みが必要であり、研究者は動物モデルを置き換えることにある程度躊躇する可能性があります。バイオファブリケーション技術の中でも、バイオプリンティングは自動化と標準化された処理の可能性を秘めており、非常に魅力的で将来性が期待されています。人工組織/臓器のカテゴリーは主に産業および研究分野で使用されており、その中でも薬物試験、疾患モデル研究、毒性評価が最も一般的な用途です。しかし、実証された科学的検証と規制の欠如は、バイオプリントされたヒト組織を医薬品開発の進歩に応用する上で大きな障壁となっています。新しい技術の規制承認に必要な科学的検証は、バイオプリントモデルでのテストを通じて達成できます。これらのモデルが人体への毒性を信頼性をもって予測できれば、科学界で受け入れられ、その後の規制調整に自然とつながるでしょう。結論として、研究者はバイオプリントモデルの使用に対する信頼を高めるために、さまざまな実験から十分なデータを積極的に探し、収集する必要があります。したがって、裏付けとなる証拠が増え続けるにつれて、これらのモデルは時間の経過とともに規制当局の承認を得るようになる可能性が高いと考えられます。しかし、実験室への応用の初期段階では、これらのモデルは動物実験の補足としてのみ機能します。さらなる工業化プロセスに加えて、サンプルの一貫性は、標準的な薬物スクリーニングプロトコルと結果の信頼性にとって特に重要です。 3D バイオプリントモデルは、構造、機能、成熟度において高い一貫性を備えている必要があります。結論として、3D バイオプリンティングと医療研究の進歩には、現在の障壁を克服することが必要です。したがって、将来に備えることは、知識の向上に携わる研究者、技術、産業、そしてこれらの活動を支援し資金を提供する政府にとって非常に重要です。

V. 要約と展望 前臨床アプリケーションにおける 3 次元組織モデルの進歩と利用はまだ初期段階ですが、3 次元モデルの使用が増えることで、その後の前臨床試験のための薬剤の効率的なスクリーニングのためのプラットフォームが提供され、より迅速な結果とより優れた費用対効果がもたらされます。革新的な技術が進歩するにつれ、生体内環境を大規模に正確にシミュレートできる 3 次元モデルを作成する取り組みが進められています。薬物スクリーニングプロセスへの適用性を保証します。単純な球体からオルガノイドまで、3D モデルは、リアルタイム分析に対応するように調整された動的環境で異細胞構造を構築するために、バイオプリンティングと組み合わせたマイクロ流体チップに進化しました。パーソナライズされた治療は、最も人気のある将来のアプリケーションの 1 つです。 3D モデルの複雑な構造と生体内環境を模倣する能力を考慮すると、薬物スクリーニング実験プロトコルを標準化し、定量的基準を満たすことが重要になります。多数の研究から得られた十分なデータを科学的に検証する必要があります。したがって、規制当局や製薬会社は、医薬品開発プロセスを強化し、合理化するための重要なツールとして 3D モデルを使用すると考えられます。

ソース：
https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2023.122408

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