完全に合成された新しいゲルを用い膵臓オルガノイドを作製。膵臓癌の新しい治療法の開発と試験に役立つことが期待される。

MITのエンジニアは、Cancer Research UKマンチェスター研究所の科学者と共同で、健康な膵臓細胞または癌細胞を用いて、膵臓の小さなレプリカを成長させる新しい方法を開発した。この新しいモデルは、現在最も治療が困難な癌の一つである膵臓癌の治療薬の開発や試験に役立つと期待されている。研究チームは、膵臓を取り巻く細胞外環境を模倣した特殊なゲルを用いて膵臓の「オルガノイド」を培養し、膵臓腫瘍とその環境との重要な相互作用を研究することができた。現在、組織を培養するために使用されているいくつかのゲルとは異なり、MITの新しいゲルは完全に合成されており、組み立てが容易で、常に一定の組成で製造することができる。

「再現性の問題は大きな課題だ」「研究者らは、この種のオルガノイドの培養をより計画的に行い、特に微小環境を制御する方法を模索している」と、MIT School of EngineeringのTeaching Innovation教授であり、生物工学と機械工学の教授でもあるLinda Griffith博士は述べた。

この研究者らはまた、この新しいゲルが、腸管組織や子宮内膜組織など、他の種類の組織の培養にも使用できることを示した。

Griffith博士と、Cancer Research UKマンチェスター研究所のグループリーダーであるClaus Jorgensen博士は、2021年9月13日にNature Materials誌のオンライン版に掲載された論文の上級著者だ。主著者は、Cancer Research UKマンチェスター研究所の元大学院生であるChristopher Below博士だ。この論文は、「膵管腺癌オルガノイドの微小環境に触発された合成三次元モデル（A Microenvironment-Inspired Synthetic Three-Dimensional Model for Pancreatic Ductal Adenocarcinoma Organoids）」と題されている。

微小環境の模倣

従来、ラボでは、市販の組織由来のゲルを用いてラボディッシュ内でオルガノイドを培養していた。しかし、最も広く使用されている市販のゲルは、マウスで成長させた腫瘍に由来するタンパク質、プロテオグリカン、成長因子の複雑な混合物であるため、ロットごとにばらつきがあり、望ましくない成分が含まれているとGriffith博士は言う。また、多種類の細胞を増殖させることができるとは限らない。Griffith博士の研究室では、10年ほど前から、ほとんどの臓器を覆うシートを形成する上皮細胞や、その他の支持細胞の増殖に使用できる合成ゲルの設計に取り組み始めた。

開発されたゲルは、ポリエチレングリコール（PEG）をベースにしている。PEGは、生きた細胞と相互作用しないため、医療用途によく使用されるポリマーだ。研究者らは、体内の臓器を取り囲む細胞外マトリックスの生化学的・生物物理的特性を研究することで、PEGゲルの中で細胞が成長するのを助けるために、PEGゲルに組み込むことができる特徴を特定することができた。

ペプチドリガンドと呼ばれる分子が存在することで、インテグリンと呼ばれる細胞表面タンパク質と相互作用する。リガンドとインテグリンが粘着性をもって結合することで、細胞はゲルに接着し、オルガノイドを形成することができる。研究チームは、フィブロネクチンやコラーゲン由来の小さな合成ペプチドをゲルに組み込むことで、腸管組織を含むさまざまな上皮組織を増殖させることができることを発見した。また、この環境下では、免疫細胞とともにストローマ細胞と呼ばれる支持細胞も増殖することが示された。

今回の研究では、Griffith博士とJorgensen博士は、このゲルが正常な膵臓オルガノイドや膵臓腫瘍の成長をサポートするためにも使用できるかどうかを調べようとした。従来、癌細胞とそれを支える環境の両方を再現する形で膵臓組織を成長させることは困難であった。なぜなら、膵臓腫瘍細胞は体内から除去されると、癌特有の形質を失うからである。

Griffith博士の研究室では、新しいゲルを作るためのプロトコルを開発し、膵臓癌の生物学を研究しているJorgensen博士の研究室と協力してテストを行った。Jorgensen博士と彼の学生は、ゲルを製造し、それを使って、マウス由来の健康な膵臓細胞または癌細胞を用いて、膵臓オルガノイドを成長させることができた。

「Linda からプロトコールを受け取り、試薬を入れて、それでうまくいったのだ」とJorgensen博士は言う。「これは、このシステムがいかに堅牢で、研究室に導入するのがいかに簡単かを物語っていると思う」。

彼らが試した他のアプローチは、複雑すぎたり、生体組織で見られる微小環境を再現していなかったりしたと、Jorgensen博士は語った。Jorgensen博士の研究室では、このゲルを使って、膵臓オルガノイドと、生きているマウスで研究した組織とを比較することができた。その結果、腫瘍オルガノイドは、膵臓腫瘍で見られるのと同じインテグリンの多くを発現していることがわかった。さらに、マクロファージ（免疫細胞の一種）や線維芽細胞（支持細胞の一種）など、通常は腫瘍を取り囲んでいる他の種類の細胞も微小環境の中で成長することができた。

患者由来の細胞

研究者らは、このゲルを使って、患者の膵臓癌細胞からオルガノイドを培養できることも示した。また、このゲルは、肺癌、大腸癌、その他の癌の研究にも有用であると考えている。このようなシステムは、潜在的な抗癌剤が腫瘍とその微小環境にどのような影響を与えるのかを分析するために使用することができる。

エディンバラ大学の生殖医学教授であり、MRC生殖医療センターの共同副所長であるHilary Critchley医学博士（本研究には参加していない）は、「この論文に記載されている発見は、新しい薬物治療アプローチに対する反応に関する重要な問題をさらに促進するだろう」と述べている。

「癌の分野では、長い間、他のアプローチ（マウスモデルや単離された細胞の研究）に頼ってきたが、オルガノイドのアプローチの貢献、特にこれらの小さな細胞群が成長するゲル構造の貢献は、研究の進展にとって極めて重要なものとなるだろう」と述べている。

Griffith博士はまた、このゲルを使って、子宮内膜症の患者の組織を成長させ、研究することも計画している。子宮内膜症とは、子宮を裏打ちする組織が子宮の外で成長してしまう病気である。子宮内膜症は、子宮を覆う組織が子宮外に増殖してしまう病気で、痛みや不妊の原因にもなる。

この新しいゲルの利点の1つは、完全な合成物であることだ。PEGやいくつかのポリペプチドなどの特定の前駆体を混ぜ合わせることで、実験室で簡単に作ることができる。研究者らは、この技術の特許を申請し、このゲルを商業的に生産できる企業にライセンスを供与する手続きを進めている。