本記事は、 Harvard Gazetteとの協力により掲載されたものである。
以下の機関である Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering at Harvard University の研究チームは、その 臓器チップ技術 を活用し、ヒト小気道のモデルを開発した。このモデルにより、喘息や、世界の死因の第3位である慢性閉塞性肺疾患（COPD）などの肺の炎症性疾患を、ヒトの体外で研究することが可能になった。
月曜日、Nature Methods誌で オンラインで報告されたとおり、 このプラットフォームにより、研究者は疾患メカニズムに関する新たな知見を得て、新規バイオマーカーを特定し、新たな薬剤候補を試験することが可能になる。
COPDと喘息は肺における炎症反応であり、ウイルスや細菌の感染、さらには喫煙によって劇的に悪化しうる。関連する疾患プロセスの多くは、空気を肺胞（気嚢）へ出し入れする肺の伝導気道部位で生じることが知られている。しかし、炎症が、白血球の動員や粘液の蓄積といった特徴的な病理学的プロセスをどのように引き起こし、これらの患者の肺を損なうのか、あるいは臨床上の悪化がどのように引き起こされるのかについては、はるかに少ないことしか分かっていない。
「臓器チップ手法を用いて肺胞をモデル化した 過去の研究 に着想を得て、肺の小気道の新たな微小流体モデルを作製した。このモデルは、喘息およびCOPDの重要な特徴を、前例のない忠実度と詳細さで再現する。今や、この微細加工されたヒト肺小気道により、正常なドナーおよび疾患患者由来の細胞で覆われたチップを用いて、数週間にわたり肺の炎症性疾患を研究し、疾患メカニズムへのより深い理解を得るとともに、新たな治療薬のスクリーニングも行えるようになった」と述べたのは、本研究の責任著者であり、臓器チップ技術の最前線に立つWyss研究所の科学者による多分野チームを率いるDonald Ingberである。同氏はまた、Wyss研究所の創設ディレクターであり、ハーバード大学医学大学院およびボストン小児病院のJudah Folkman血管生物学教授、ならびにハーバード大学John A. Paulson工学・応用科学大学院の生物工学教授も務める。
小気道の炎症はヒトの患者や動物モデルでは十分に研究できず、現在までに、複雑かつ広範囲に及ぶ炎症によって駆動されるプロセスを止めたり逆転させたりできる有効な治療法は存在しないため、こうした機会への需要は特に高い。
「ヒト小気道の実際の複雑な3次元細胞構造を忠実に模倣するため、我々は、並行する2本のマイクロチャネルのうち一方で空気にさらされ、異なる特殊化された細胞種を含む完全に成熟したヒト小気道上皮を備えた微小流体デバイスを設計した。もう一方のチャネルはヒト血管内皮で覆われ、そこに白血球と栄養素を含む培地を流すことで、この生体微小システムを数週間にわたり維持できるようにした。その後、喘息を誘発する免疫因子を加えるか、COPD患者から得た肺上皮細胞でシステムを構築することにより、炎症性の喘息およびCOPDの条件をモデル化した」と述べたのは、Ingber研究室の元ポスドク研究員で本論文の共同筆頭著者であるRemi Villenaveである。両ケースとも、チームは疾患および細胞種に特異的な変化を観察できただけでなく、ウイルスや細菌感染を模倣する物質によってそれらを悪化させることもできた。
「この新しい臓器チップ技術により、生きたヒト肺組織の文脈における分子レベルの活動を観察できるようになった。また、特定の細胞種や生化学的因子が小気道疾患に寄与する仕組みを解明する手段も得られた。具体的には、循環する免疫細胞が炎症部位へどのように動員されるか、また、機能不全の繊毛が疾患患者の肺における異常な粘液除去にどのように寄与するかが含まれる」と述べたのは、Ingberと共に研究に取り組むポスドク研究員で、本研究のもう一人の共同筆頭著者であるKambez Hajipouran Benamである。
最後に、研究チームは、合成小気道チップが疾患特異的な薬剤およびバイオマーカーの発見プラットフォームとして利用できることを概念実証により示した。本プロジェクトの資金提供にも寄与した2つの産業パートナー（PfizerおよびMerck Research Laboratories）との協力、ならびに国防高等研究計画局（DARPA）の支援のもと、Wyss研究所の研究者らは、炎症経路の異なる主要な分子成分を標的とする2種類の薬剤が、喘息およびCOPD向けに調整された小気道チップにおける病理学的プロセスを強力に抑制できることを示した。また、Wyss研究所の科学者らは、COPDモデルにおいてウイルス模倣物質によって濃度が上昇するマクロファージ動員因子を特定した。この因子は、COPDのウイルス性悪化に対する特異的なバイオマーカーとして、さらに研究される可能性がある。
「個々の疾患患者由来の細胞を用いて、COPDなどの疾患の小気道チップを構築できるこの新たな能力により、我々を含む研究者は、遺伝的変動、特定の免疫細胞集団、医薬品候補、さらにはパンデミックを引き起こすウイルスの影響を、全く新しく、より個別化された方法で研究できる立場にある。これにより、将来の治療薬の成功確率が高まることが期待される」とIngberは述べた。
掲載は、世界経済フォーラムによる見解の支持を意味するものではない。
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執筆者：Benjamin Boettnerは、Wyss研究所の広報業務を担当している。
画像：喘息患者のJ.Kimが、北京の自宅で気管支の症状のために薬を服用している。REUTERS/Kim Kyung-Hoon。
