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新薬の開発には何十億ドルという費用がかかり、10年以上かかることも珍しくない。このような多額の費用と時間の投資は、今日の医療費高騰の強力な要因であると同時に、患者に新しい治療法を届けるための大きな障害でもある。これらの障壁の背後にある大きな理由の一つは、研究者が最初に薬を開発するために使用する研究室モデルだ。

前臨床試験、つまり薬を人に投与して臨床試験を行う前にその有効性と毒性を調べる研究は、主に細胞培養と動物で行われている。どちらも人体の状態を模倣する能力が低いため、限界がある。シャーレの中の細胞培養では、体内での細胞の相互作用や生きている臓器の動態など、組織機能のあらゆる側面を再現することはできない。また、動物は人間ではないので、種間のわずかな遺伝子の違いも、大きな生理的な違いに増幅される可能性がある。

がん治療のための動物実験が成功しても、ヒトの臨床試験に進むのは8%以下である。動物モデルはヒトの臨床試験で薬効を予測できないことが多いため、こうした後期の失敗はコストと患者の健康リスクの両方を大きく押し上げる可能性がある。

このような問題を解決するために、研究者たちは、人体をより忠実に模倣できる有望なモデル、臓器チップ(organ-on-a-chip)の開発を進めている。

私は分析化学者として、一般的な細胞培養の単純さと動物モデルの矛盾を回避した臓器・組織モデルの開発に取り組んできた。今後、さらに開発が進めば、臓器チップによって、より実生活に近い状態で病気の研究や薬の試験ができるようになると考えている。

臓器チップとは?

1990年代後半、研究者たちは、弾性ポリマーを重ねて、ミクロのレベルで流体を制御・検査する方法を考え出した。バイオメディカル分野では、血液などの体内流体のダイナミックな流れを模倣するデバイスを使用することになる。

マイクロ流体工学の進歩により、研究者は、人体内の機能により近い細胞を培養するプラットフォーム、特に臓器チップを手に入れることができた。ここで言う“チップ”とは、細胞を包むマイクロ流体デバイスを指す。一般的にはコンピュータのチップと同じ技術で作られている

臓器チップは、体内の血流を模倣するだけでなく、臓器に通常存在する多様な細胞タイプを模倣するために、複数のタイプの細胞を統合できるマイクロチャンバーを備えている。流体の流れは、これらの複数の細胞タイプを接続し、研究者はそれらが互いにどのように作用するかを研究することができるのだ。

この技術は、静的な細胞培養と動物実験の両方の限界を、いくつかの方法で克服することができる。まず、モデル内に流体が流れていることで、細胞が体内で経験すること(栄養の受け取り方や老廃物の排出方法など)と、薬物が血液中を移動して複数の種類の細胞と相互作用する方法の両方を模倣することができる。また、流体の流れを制御することで、特定の薬剤の最適な投与量を微調整することも可能だ。

例えば、臓器チップの1つである肺チップモデルは、生きている人間の肺の機械的・物理的特性を統合することができる。肺の拡張と収縮、すなわち吸気と呼気を模倣し、肺と空気の間の界面をシミュレートすることができるのだ。このような品質を再現することができるため、研究者はさまざまな要因による肺の障害をよりよく研究することができる。

臓器チップをスケールアップする

臓器チップは、初期段階の医薬品研究の限界を押し上げるものだが、この技術は医薬品開発のパイプラインに広く統合されてはいない。私は、このようなチップを広く採用するための中心的な障害は、その高い複雑性と低い実用性であると考えている。

現在の臓器チップモデルは、一般の科学者が使うには難しいものだ。また、ほとんどのモデルがシングルユースで、1つの入力しかできないため、研究者が一度に研究できる内容が制限され、実装にかかる費用と時間、労力の両方がかかっている。これらのモデルを使用するために必要な高額な投資は、モデルの採用に対する熱意を失わせるかも知れない。結局のところ、研究者は時間とコストを削減するために、前臨床試験で利用可能な最も複雑でないモデルを使用することが多いのだ。

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このチップは血液脳関門を模倣しています。青い色素が脳細胞の行く先を示し、赤い色素が血流のルートを示している。(Credit: Vanderbilt University/Flickr)

臓器チップを作り、利用するための技術的なハードルを下げることは、研究コミュニティ全体がその利点を十分に活用できるようにするために重要だ。しかし、そのためには必ずしもモデルを簡素化する必要はありません。例えば、私の研究室では、標準化されたモジュール式の「プラグアンドプレイ」組織チップを各種設計しており、研究者はあらかじめ用意された部品を容易に組み立てて実験を行うことができるようになっている。

また、3Dプリンティングの登場は、臓器チップの開発を著しく促進し、研究者が組織や臓器のモデル全体をチップ上で直接製造することを可能にした。3Dプリンティングは、迅速なプロトタイピングとユーザー間でのデザイン共有に最適で、標準化された材料の大量生産も容易になる。

臓器チップは、創薬におけるブレークスルーを可能にし、健康や病気における臓器の機能をより深く理解できるようになる可能性を秘めていると私は考えている。この技術へのアクセス性を高めることで、このモデルを研究室での開発から脱却させ、バイオメディカル業界へ進出させることができるかも知れない。

本記事はThe Conversationに掲載された記事「Organ-on-a-chip models allow researchers to conduct studies closer to real-life conditions – and possibly grease the drug development pipeline」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。

著者紹介
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Dr. Chengpeng Chen

Assistant Professor of Chemistry and Biochemistry, University of Maryland, Baltimore County

私は分析化学の研究室を運営しています。ある生物学的な疑問に定量的に答えるために、新しい分析プラットフォームを確立しようとしています。

全体として、私たちは分析化学、生化学、材料科学、および生物工学の境界線にいます。私たちの研究の最終目標は、製薬会社や生理学研究機関で使用できる実用的な臓器オンチップモデルを開発することです。

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