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はじめに
アルツハイマー病、パーキンソン病、自閉症などの神経疾患・精神疾患は世界的に増加しており、疾患の理解と治療法の開発がこれまで以上に求められている。しかし、脳は極めて複雑でありヒト脳組織へのアクセスに限界があるためその研究は困難である。ヒト幹細胞から作製される三次元培養組織である脳オルガノイドは脳機能を研究するための有望なモデルとして注目されている。脳オルガノイドは初期の脳発達過程の一部を再現することができ、ヒトに特有な生物学的な仕組みを培養環境で解析することを可能にしている。一方で、現在のオルガノイドモデルには依然として多くの課題が残されている。私の研究では脳オルガノイドをより使いやすく、実験に活用しやすいモデルへ発展させることを目指している。そのために組織工学的手法によってオルガノイドの生物学的精度と構造的複雑性を高めることとこれらのモデルをより効率的に解析・操作するための新しい技術を開発するという二つの相補的な戦略に取り組んでいる。この２つのアプローチを組み合わせることで脳の発達、疾患のメカニズム、さらには治療戦略の探索に役立つより高度なモデルの構築を目指している。
組織工学
オルガノイド接続による脳領域間回路のモデル
ヒトの脳は、それぞれ異なる機能を担う多数の領域から構成され、それらが複雑に相互接続することで、高度なネットワークを形成しています。この精緻な構造によって、私たちは日常生活において、さまざまな認知・感覚・運動機能を実現しています。脳オルガノイドは、脳の初期発達過程のさまざまな側面を再現する有望なモデルとして注目されています。しかし、現在の脳オルガノイドには大きさや複雑性に限界があり、一般的には比較的単純な局所神経回路しか再現できません。脳の構造的・機能的な複雑性、特に異なる脳領域間に存在する長距離の神経結合をより忠実に再現するために、マイクロ流体デバイスを用いて複数のオルガノイドを接続することができます。個々のオルガノイドをマイクロ流体デバイス内の別々のチャンバーに配置すると、それぞれのオルガノイドから軸索が伸長し始めます。デバイスの構造を設計することで、あるオルガノイドから伸びる軸索を別のオルガノイドへと誘導することができます。軸索が隣接するオルガノイドに到達すると、両者の間に相互の神経結合が形成され、軸索束を介して機能的につながった神経回路が構築されます。この手法によって、オルガノイドモデルをヒト脳本来の構造や神経結合性により近づけることが可能になります。さらに、異なる脳領域間の情報伝達や神経ネットワークのダイナミクス、神経疾患の研究に向けた新たなアプローチを提供します。
細胞凝集とバイオプリンティングによる細胞パターニング
ヒトの脳は非常に複雑であるため、神経・精神疾患や発達障害の理解と治療は依然として大きな課題となっています。ヒト脳オルガノイドはそのための有望なモデルですが、成熟に時間がかかること、血管内皮細胞など重要な細胞種が不足していること、さらに細胞の配置や組織構造を十分に制御できないことから、その応用には限界があります。これらの課題に対して、遺伝子改変した幹細胞をオルガノイドに導入し、転写因子の過剰発現によって成熟した神経細胞や血管内皮細胞へと分化誘導する手法を開発しています。さらに、組織構造の再現性を高め、導入する細胞種をより精密に配置するため、以下の3つの空間パターニング技術を用いています。逐次的な細胞播種：細胞を順番に播種することで、層状のコア・シェル型スフェロイドを形成する。3Dバイオプリンティング：細胞を高密度に含むバイオインクを用いて、三次元的に組織を造形する。マルチチャネルノズルによる押出成形：複数のチャネルを持つノズルからパターニングしたバイオインクを押し出し、細胞を空間的に配置する。このような空間的な制御は、脳の構造や機能をより正確に再現するためだけでなく、組織を大規模かつ再現性高く生産する上でも重要です。細胞の3Dプリンティングは、大規模で複雑なヒト組織のバイオマニュファクチャリングを可能にし、基礎神経科学、疾患モデリング、薬剤スクリーニング、再生医療など、幅広い分野への応用が期待されます。
技術開発
オルガノイドからの神経信号記録の強化手法
脳オルガノイドのような三次元神経組織はヒト脳機能のモデル化や解析に広く利用されており、その電気活動を安定して測定できる信頼性の高い手法が必要とされている。しかし、オルガノイド内の未成熟な神経細胞から発せられる微弱な信号を捉えることは容易ではない。また、高密度マイクロ電極アレイ（HD-MEA）は高解像度のデータ取得を可能にするが、平坦な電極面と湾曲した三次元組織との間で良好な接触を得ることが難しい。この問題を解決するために、生体適合性を有するフッ素系液体パーフルオロデカリン（PFD）を利用した新しい方法を開発した。HD-MEA上の組織にPFDを滴下するとその重みでオルガノイドが穏やかに電極に向かって圧縮され、電極との接触が改善される。同時にPFDは電気絶縁体としても機能し神経信号を増幅する。この結果、電極との接触面積および記録可能な神経細胞数が大幅に増加し、電気信号の品質も著しく向上する。これにより、記録が困難であった神経活動のより確実な検出が可能となる。本手法は急性記録や光遺伝学的手法などの光学的手法にも対応しており、簡便で組織の生存性を損なうことなく適用できる。高品質な神経活動記録とより正確な機能解析を実現する実用的な手法として神経研究の発展に貢献する。
運動神経オルガノイドのレーザー切断法
軸索の分子メカニズムを解明することは神経系の発達や機能の理解に不可欠であるが、ヒト組織から大量の軸索を分離することは依然として困難である。従来、鉗子やはさみを用いた手作業による解剖が行われてきたがこの方法は時間がかかり、労力を要するうえ得られる材料量も限られている。そのため、より迅速かつ簡便な手法の開発が求められている。本研究では、運動神経オルガノイドから軸索を分離するための簡単で低コストな方法を開発した。そのため運動神経スフェロイドを軸索の伸長を組織化された束として誘導するよう設計されたマイクロ流体デバイス内で培養した(図3A)。この方法により神経細胞体を含まない、密集した大量の軸索束を形成することができる(図3B)。さらに、スフェロイドからこれらの軸索を効率的に分離・回収するため、レーザーを用いた切断技術を開発した。マイクロ流体デバイス上の黒色マークに青色レーザーを照射すると、その部分に局所的な熱スポットが発生し、レーザーを移動させることで周囲組織を損なうことなく軸索をきれいに切断することが可能になる(図3C、D)。この手法により、軸索を迅速かつ清浄に分離でき、下流の生化学的解析に適した高品質なサンプルを得ることができる。手作業による解剖に代わる、簡単で再現性の高い手法として大量の軸索取得を容易にし、ヒト神経モデルにおける軸索生物学の研究を大きく促進する。
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