オルガノイドと臓器チップで、宿主・免疫・マイクロバイオームの相互作用を3次元で観察
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JAXで培養され、Single Cell Biology Laboratory（単一細胞生物学研究所）で撮影されたヒト結腸腫瘍オルガノイドの暗視野顕微鏡画像
オルガノイドと臓器チップは、基礎生物学と人間の健康との隔たりを埋め、科学者には知見を提供し、患者にはより精密な診断・治療戦略をもたらす。
科学者が病気の発症メカニズム（あるいはその阻止方法）を理解しようとする際、多くの場合、培養皿で育てた細胞が最初のステップとなります。
しかし、そうした平坦な2次元培養は多くの知見をもたらしたものの、生体内の細胞や臓器の挙動を再現できません。人体は複雑であり、組織は三次元構造を持ち、絶えず動き続け、多様な細胞タイプの相互作用によって形作られています。そこで登場するのがオルガノイドや臓器チップといった技術なのです。
オルガノイドは、ヒトの組織や臓器のミニチュア版と考えてください。幹細胞や患者の生検細胞を誘導することで、研究者は腸、皮膚、その他の臓器の一部を模倣した微小な3次元構造を作製することができます。例えば、ジャクソン研究所（JAX）の科学者たちは、ヒトの結腸がんから腫瘍オルガノイドを作製することができます。これらの小型ながらも高度なモデルは、体内におけるがん細胞の挙動を再現するだけでなく、薬剤スクリーニングのためのプラットフォームとしても機能します。蛍光マーカーを用いることで、研究者はどの治療薬が腫瘍を死滅させ、どの治療薬が効果を示さないかを迅速に確認できます。
臓器チップはこの技術をさらに一歩進めたものです。USBメモリほどの大きさの透明なプラスチック製デバイスには、生きたヒト細胞で覆われた中空で微細な流路が内蔵されています。この流路を液体が絶えず流れ、血液循環、呼吸運動、さらには腸内の物理的ストレスを模倣した環境を作り出します。静的なペトリ皿とは異なり、これらのチップによって科学者は人体の動的な環境を再現することができます。そこでは細胞は決して孤立することなく、常に隣接する細胞、マイクロバイオーム、免疫系と相互作用しているのです。
「これらのプラットフォームは、2次元培養システムと比較して、はるかに動的な環境を提供し、体液に似た流れを実現します。3次元オルガノイドや臓器チップシステムから得られる生理学的反応は、はるかに高度で、人間の生物学的機構を的確に反映しています」と、JAXのAssistant ProfessorのDr. Sasan Jalili（ササン・ジャリリ）は述べています。
「複数の細胞タイプがどのように相互作用するか、あるいはマイクロバイオームと免疫系がどのように摂動に反応するかをリアルタイムで観察できます。これは重要な点です。なぜなら、従来のシステムのほとんどは静的なスナップショットしか提供しないからです。細胞の動きをリアルタイムで捉えることで、患者の体内での実際の状態をより忠実に反映した方法で疾患プロセスを追跡できるのです」と彼は付け加えました。
科学者が疾患の理解を深めるために使用する臓器チップシステムのイメージ
病気と老化への窓
Dr.ジャリリの研究室では、これらの高度なシステムを活用し、マイクロバイオーム、免疫系、老化がどのように相互作用して健康と疾患に影響を与えるかを調査しています。患者由来細胞から皮膚と腸のモデルを作製することで、若年者と高齢者における微生物叢の変化が免疫応答にどのような影響を与えるかを直接比較することが可能になります。
彼らは「腸チップ」プラットフォームを開発しました。このプラットフォームでは、腸上皮細胞が指状の絨毛を形成して粘液を分泌し、腸管バリアの主要な機能を再現しています。細菌群を導入すると、粘液層に定着します。免疫細胞をその下の血管に追加すると、感染時に細菌に向かって活発に移動し、ヒトの腸管の監視・防御機構を模倣します。この動的システムにより、従来の培養法をはるかに超える生理学的忠実度で、宿主・微生物・免疫の相互作用をリアルタイムに観察することができます。
より良い治療法に向けて
なぜこんなに手間をかける必要があるのでしょうか？それはオルガノイドと臓器チップが、基礎生物学と人間の健康の間の隔たりを埋める橋渡しとなるからです。動物モデルや従来の細胞培養では不可能な方法で、実際の組織の複雑さを捉えることができるため、患者が治療にどのように反応するかをより正確に予測することができます。
Dr.ジャリリの研究室では、大腸がんと炎症性腸疾患（IBD）について重点的に取り組んでいます。若年層における大腸がんの急増を受け、研究チームは若年発症型と高齢発症型の疾患メカニズムの解明に取り組んでいます。コネチカット小児病院との共同研究では、小児患者から採取した対になった生検サンプル、便検体、血液検体を使用して、患者固有の腸内チップモデルを開発しています。これらの個別化システムにより、IBDの誘発因子の解明、大腸がんの進行追跡、転移予防と治療成績改善を目的としたマイクロバイオーム標的療法および免疫調節療法の評価が可能となります。
オルガノイドと臓器チップは、基礎生物学と臨床応用をつなぐ架け橋となります。これにより、研究者は従来の培養システムよりも正確にヒトの疾患プロセスをモデル化できるようになり、同時に動物モデルが抱える限界の一部を回避できます。
これらの技術は、疾患のメカニズムを理解するだけでなく、患者にとってより正確な診断・治療戦略の開発にも道を開きます。Dr.ジャリリと研究チームの長期的なビジョンは明確です。これらの生体モデルを用いて、自己免疫疾患、がん、老化の細胞・分子メカニズムを解明するだけでなく、新たな診断法や革新的な治療法への道を開き、最終的には適切な治療を該当する患者に適切なタイミングで提供できる個別化医療のアプローチを前進させることです。
コネチカット大学医学部の助教も務めるDr.ジャリリは、2025年度コネチカット大学ペッパー・スカラーに選出されました。コネチカット大学のペッパー・センターは老化研究の発展を推進しており、Dr.ジャリリの研究プロジェクトは「サンプリング用マイクロニードルパッチを用いた脆弱な高齢者の皮膚における局所的な免疫とマイクロバイオームの相互作用の研究」に焦点を当てています。
