オールインワン蛍光顕微鏡がオルガノイド関連研究をさらに前進させる

オルガノイド—創薬と病理研究の重要なツール

オルガノイドは、その名の通り器官に類似していますが、3D細胞培養システムを用いて形成される細胞の集合体であり、生体内の組織や器官に非常によく似た「ミニチュア器官」です。従来の2D（平面）培養細胞と比較して、この「ミニチュア器官」は、ヒトの実際の器官に近い細胞構成、構造、形態、機能を持ち、長期間安定して継代培養することが可能です。

一般的な2D培養では、細胞は培養皿の底面で増殖し、薬剤投与、光、温度などの外部刺激を与え、その細胞が外部刺激にどう反応するかや分泌物の変化などを観察します。しかし、2D細胞培養では、細胞が体外で本来の生息環境から変化するため、増殖するにつれて元の性質を徐々に失い、生体内の細胞とは異なる性質を示します。一方、動物実験は完全に生体内で行われますが、体内の様々な要因や、生体内環境と外部環境との相互作用によって複雑化し、単一のプロセスや中間過程を研究することが困難です。

一方、オルガノイドは、細胞を特殊なマイクロポア、ナノファイバー、またはハイドロゲルなどの足場に播種して培養することで、細胞が3D構造を形成し、より生体内の器官に近い状態を再現します。さらに、細胞を特定の方向に分化させるホルモンや成長因子などを加えることで、生体内の器官と同様の機能を持たせることができます。これにより、器官組織の発生過程や生理・病理状態をより良く模倣できるため、個別化精密医療や創薬の基礎研究などの分野で幅広い応用が期待されています。

駱華生物—中国国内のオルガノイド分野におけるリーディングカンパニー

駱華生物有限公司は設立以来5年間で1000万元以上を投じ、オルガノイドおよび器官チップ分野の基幹技術の研究開発を行い、多種多様なヒト正常オルガノイドおよび腫瘍オルガノイドの培養系を確立し、1万例近くのがん患者の薬剤感受性試験と病理検査を完了しました。腫瘍オルガノイド培養系は、膵臓がん、胃がん、大腸がん、乳がん、卵巣がん、子宮内膜がん、子宮頸がん、前立腺がん、膀胱がん、神経膠腫など10種類以上のがんをカバーし、正常組織オルガノイドは乳腺、胃、肝臓、脳、腎臓などをカバーしており、有効サンプルからの培養成功率は98%に達します。また、iPS細胞から誘導する各種オルガノイド専用の培養液を自社開発し、国産のヒト脳オルガノイド誘導分化キットも開発しました。器官チップ分野では、肝臓、肺、腫瘍、腸、腎臓、神経、血管の各チップの生理学的モデル開発を完了し、IgA腎症、肝線維症、非アルコール性脂肪性肝疾患、肺線維症、気道上皮過形成、ループス腎炎、微小変化型ネフローゼ症候群、高血圧性腎症、高尿酸血症などの疾患モデルの構築に成功しています。さらに、国産の血管新生皮膚チップモデルを自社開発し、その機能指標が他の臨床用皮膚代替物よりも優れていることを試験で確認しました。これにより、細胞や動物モデルの代替として、化粧品の安全性と有効性をハイスループットで試験することが可能です。自社開発の毛包オルガノイドは、抜け毛予防・育毛・発毛促進製品および技術の研究開発にin vitroのシミュレーションモデルを提供し、脱毛症患者の治療と毛髪再生に新たな道を開きます。同時に、ハイスループット器官チップやインテリジェント多器官チップ培養システムなどの研究開発プロジェクトでも、重要な技術的ブレークスルーを達成しています。

注：脳オルガノイドでは、iPS細胞と比較して、神経前駆細胞マーカー遺伝子であるPAX6とTBR2、および神経細胞マーカー遺伝子であるTBR1、CTIP2、MAP2、TUJ1の発現が上昇している。

当社の主な研究開発の方向性は、オルガノイドおよび器官チップの基幹技術開発であり、以下の3つの主要分野に分かれています。
1）オルガノイド技術開発：体性幹細胞/多能性幹細胞から様々なオルガノイドの生理学的モデル、腫瘍オルガノイド、その他の疾患モデルを誘導。
2）マイクロ流体技術に基づく各種器官チップの開発：腎臓、肝臓、腸、肺、腫瘍、皮膚、血管の各チップ、および多器官チップシステムなど。
3）関連機器および試薬の開発：多器官チップ用インテリジェント培養観察システム、ライブセルワークステーション、ポータブルライブセルインキュベーター、組織/単一細胞解離液、各種オルガノイド専用培養液、オルガノイド凍結保存液などの製品を自社開発。これらは当社のプロセスに最適化されており、オルガノイドの培養成功率と解凍後の生存率を大幅に向上させています。このうち4製品は、薬品監督管理局よりクラスI医療機器として届出が受理されています。

今後、駱華生物は、血管網の欠如、体系的なオルガノイドの構築方法、ヒト胚性幹細胞を利用した長期的かつ安定的なin vitroモデルの確立、培養条件や環境刺激による生体内微小環境のより忠実な再現、研究用製品の量産化と臨床応用への転換など、多岐にわたる課題に引き続き深く取り組み、創薬プロセスの根源からの加速とコスト削減を目指します。さらに、人工知能（AI）、マルチオミクス、ライブラリースクリーニング、ゲノム編集などの技術と組み合わせることで、この技術の応用シーンをさらに拡大していきます。

BZシリーズの導入が駱華生物の研究効率を向上

駱華生物の技術責任者である王博士は次のように述べています。「当初、蛍光顕微鏡の購入を検討していた際、BZシリーズのシンプルで分かりやすい操作性に非常に感銘を受けました。初心者でもすぐに蛍光・明視野観察をマスターし、高品質な画像を撮影できます。次に、BZシリーズは機能が包括的で、実験中の撮像に関する問題を効率的に解決できるため、実験担当者の効率が大幅に向上し、間接的に会社の収益増加にも繋がりました。また、実験中に問題が発生した際には、キーエンスの技術担当者が無償でサポートやトレーニングを行ってくれるなど、アフターサービスも非常に優れています。これらの理由から、キーエンスの蛍光顕微鏡システムを選びました。」

駱華生物で蛍光顕微鏡観察を担当する実験員の崔双双氏は次のように述べています。「2023年2月に導入して以来、BZシリーズ顕微鏡は非常に高い頻度で使用されており、とても簡単で効率的です。まず、BZシリーズは暗室が不要なので、スペースを節約できます。次に、非常に鮮明な画像を撮影でき、操作も簡単です。例えば、複数チャンネルを同時に撮影したり、撮影した視野の画像をスティッチング（拼接）して全体の画像を取得したりできるので、実験担当者は全体像を見ながら実験結果を総合的に分析できます。同時に、Zスタック機能を使えば、より立体的な画像を得ることも可能です。取得した画像はバッチ解析もできます。BZシリーズを使うことで、実験結果の画像がより鮮明で情報量豊かになり、実験担当者の効率も向上し、実験にさらなる可能性をもたらしてくれました。」

製品カタログで、キーエンスの新型オールインワン蛍光顕微鏡「BZ-X」の詳細をご覧ください。

オルガノイド実験におけるBZシリーズの強み

オルガノイド実験では、実験段階に応じて装置に求められる要件も絶えず変化します。キーエンスのオールインワン蛍光顕微鏡BZシリーズは、拡張可能な設計を採用しており、蛍光顕微鏡、明視野/位相差顕微鏡の機能に加え、レーザー共焦点顕微鏡、ハイコンテントイメージング、スライドスキャナー、ライブセルワークステーションなどの機能の一部または全部を一台に統合しています。さらに、実験ニーズに応じてモジュールを追加することで、様々な観察ニーズに対応できます。

1）オルガノイド培養段階：培養中の細胞を長時間観察し、オルガノイドの形成過程を確認する必要があります。

BZシリーズは、外部の細胞培養チャンバーを取り付けることで、培養しながらタイムラプス撮影が可能です。BZシリーズの高度な自動化システムにより、撮影中にフォーカス位置を追跡し、オルガノイド形成過程で焦点が絶えず変化しても、常にピントの合った鮮明な画像を撮影できます。また、あらかじめ設定したプログラムに従い、異なる倍率で複数の位置を撮影し、1回の実験サイクルで複数の実験結果を得ることができ、実験効率を大幅に向上させます。撮影結果は時系列で解析し、定量的な分析結果を得ることも可能です。

2）オルガノイドのイメージング：形成されたオルガノイドは通常ある程度の厚みがあるため、観察時に焦点面以外の迷光の影響を受けやすく、シグナルの位置を正確に特定することが困難です。

BZシリーズは光学セクショニングシステムを採用しており、焦点面以外の迷光の影響を排除します。同時に、露光が不要な時には励起光を自動で遮断する退色防止システムと組み合わせることで、励起光によるサンプルへのダメージを低減し、簡単な操作で高精細な観察を実現します。さらに、高精度なZスタックから3D画像を構築し、3D計測を行うことで、空間的なシグナル位置を確認し、より高度な観察・分析が可能です。

製品カタログで、キーエンスの新型オールインワン蛍光顕微鏡「BZ-X」の詳細をご覧ください。