がんの調査と研究は、これまで2Dシステムに頼っていましたが、3D細胞培養に目を向ける研究者が増えてきています。これは、細胞シグナル伝達、増殖、生存率、薬物応答などの主要な細胞プロセスに影響を与えることが知られている、元の組織構造をよりよく再現するためです。より生理的に近いモデルを提供することで、3D細胞培養はin vitroとin vivoのモデル間のギャップを埋めることができます。
3D in vitroシステムにはいくつかの選択肢がありますが、その選択は必ずしも容易ではありません。疾患経路の理解、作用機序の解明、患者の応答予測など、生物学的な問題に大きく左右されます。これまでスフェロイドが最も一般的な3Dモデルでしたが、オルガノイドなどのより患者に近いモデルの選択ができるようになりました。
オルガノイドとスフェロイドの主な相違点
3D構造を形成する駆動機構: スフェロイドは、主に細胞同士の接着（＝細胞凝集）によって形成されます。成長する培養組織の物理的・化学的特性により、細胞同士が強制的に結合し、3D構造を生成します。スフェロイドは、不死化細胞株、初代細胞、ヒト組織の断片などに由来します。一方、オルガノイドの形成は、幹細胞の自己組織化特性によって駆動され、幹細胞はin vitroで自己複製と分化を行い、その結果、複数の分化した生理学的に機能する細胞系を含む3D構造体が形成されます。その結果、オルガノイドはより生理学的関連があり、in vivoへの翻訳のポテンシャルが高いデータが得られるため、がん創薬アプリケーションにより適した選択肢となります。これらは、臨床的関連性が高いことが示されています。腫瘍オルガノイドは、原発腫瘍組織から直接開発されるもの（すなわち、患者由来オルガノイド（PDO））、あるいは患者由来異種移植（PDX）オルガノイド（PDXO）などがあります。
図1. 患者由来オルガノイドの生成：総合的アプローチ
3D構造体の細胞構成: オルガノイドは、元の腫瘍（または臓器）の複雑さを忠実に再現した多細胞の独自性を持っています。彼らがこのような独自性を持つようになったのは、幹細胞がそれを生み出し、複数の下流と特定の子孫に分化していくからです。スフェロイドは単一培養であることが多いため、一般的にin vivoの腫瘍のような多細胞の独自性はありません。これは、2D細胞株と同様に腫瘍スフェロイドは、一般的に回復力があり、in vitroでの増殖能力が高い、複製能の高い低分化細胞を多く選択する条件で培養されるからです。これらの特性は薬物応答に影響を与え、臨床にうまく翻訳されないデータを生み出します。がん創薬の観点からは、オルガノイドの多細胞の独自性は、腫瘍スフェロイドと比較して、より患者に近く、薬剤に対する患者の応答を予測することができます。
培養の力強さ: Hubrecht Organoid Technology (HUB)のプロトコルを用いて開発された腫瘍オルガノイドは、がん幹細胞（CSC）の構成要素が保存されているため、構造的、細胞の不均一性、体細胞突然変異を含む複数世代にわたって元の腫瘍の表現型および遺伝的特徴を予測通りに保持しながら、長期間の増殖が可能で、フォローアップ研究のためバイオバンクに預けたり凍結状態から蘇生させることもできます。腫瘍スフェロイドはin vitroの薬剤スクリーニングに使用されますが、得られる効能は様々で、CSCレベルも一定していません。また、文献ではスフェロイドの応答プロファイルが時間とともに変化することが報告されており、オルガノイドと比較して堅牢性に欠けるシステムであることがわかります。初代細胞由来の腫瘍スフェロイドは、元となる腫瘍組織のゲノムや多細胞のプロファイルを再現することができます。しかし、培養寿命が非常に限られているため、一回限りのソリューションと考えられており、分化した細胞の割合が高く、すぐに老化してしまいます。さらに、一部のがん種から初代細胞を得ることは依然として困難であり、一般的な培養条件では、in vitroの環境に最も耐えられる細胞が選択されることが少なくありません。
データの品質: 腫瘍スフェロイドを開発するために、初代細胞のような多細胞混合物を使用する場合、純粋な上皮区画からなるオルガノイドと比較して、従来アッセイからの読み出し情報は、より大きなSN比を持つ傾向があります。腫瘍スフェロイド、特に不死化細胞株由来のスフェロイドの特筆すべき利点は、比較に使用できる過去のデータが豊富なことです。
2019年、Crown BioscienceはHUBと戦略的パートナーシップを締結し、前臨床がん治療薬の開発および検証のためのHUB technologyの独占プロバイダーとなりました。
オルガノイドとスフェロイドを用いたがん創薬研究
腫瘍由来オルガノイドは、標的の同定、薬剤候補の有効性評価、新規併用療法の検討など、がん創薬のために広く研究されています。特にin vitroモデルは、in vivo PDXと比較してコスト効率が良く、後期のin vivoモデルのデータを待つことなく、早期の意思決定ができることが魅力です。さらに、IC50測定や発光性細胞生存率（CTGなど）の読み出しなど、標準的なin vitroアッセイにも適応可能です。また、革新的なハイコンテンツイメージング（HCI）および解析（HCA）プラットフォームと組み合わせることで、多細胞構造を含む複雑な細胞システムの極めて詳細な細胞生理プロファイルを生成することができます。これにより、CTGや核数などの固定エンドポイントアッセイと比較して、細胞アッセイから得られる情報量を大幅に拡大することができます。
ただし、医薬品開発におけるオルガノイドの応用は、スフェロイドと比較していくつかの重要な相違点があります。前述したように、患者から直接採取した初代細胞由来のスフェロイドは拡張性に乏しく、研究の進展に伴いサンプルが限定される可能性があります。最適なトランスレータビリティを得るためには、新鮮な組織を使用することが理想的です。不足する場合は、凍結されたバイオバンクのサンプルを使用することもでき
