新薬候補の作用機序と有効性を評価する適切な前臨床モデルの選択は、利用可能な選択肢の多様性や、それにかかる時間とコスト考えると、挑戦するに値する課題です。適切なモデルの選択は、新薬候補の成否を分けます。 3D in vitro オルガノイドは、従来の 2D in vitro 細胞株と in vivo 試験とのギャップを埋める理想的で強力な予測前臨床モデルです。なぜなら、よりコストと時間のかかるin vivo検証試験に移行する前に、2D 細胞株よりも臨床的に適切なプラットフォームを提供するからです
これまでに発表されたデータは、一致させた患者由来異種移植（PDX）モデル（臨床効果を予測するための最良の前臨床 in vivo モデル）と、同じ腫瘍に由来する 3D in vitro 腫瘍オルガノイドとの間の薬物応答プロファイルの「生物学的同等性」（90％以上の相関性）を確認しています。このことは、腫瘍オルガノイドが、ハイスループット薬物スクリーニングや他の in vitro アプリケーションで、患者のサロゲートとして機能し、臨床的妥当性を維持しながら、in vivo モデルの使用に伴うコストと時間を削減します。このブログへの投稿は、患者中心の研究を推進するために、臨床的に関連性の高い患者関連腫瘍オルガノイドを使用することの価値に焦点をあてます
腫瘍オルガノイドとはどのようなものですか？
オルガノイドは、健常組織と疾患組織の両方から生成できる 3D in vitro モデルです。Hubrecht Organoid Technology（HUB）の科学者たちは、がん幹細胞（CSC）コンパートメントを保存したまま、多種多様なヒト原発腫瘍（すなわち腫瘍オルガノイド）から直接オルガノイドを増殖させる特殊なプロトコルを開発しました。これらの患者関連3D in vitro培養は、長期にわたって、元の患者腫瘍の表現型、形態学的、遺伝学的特徴を忠実に再現します。査読を受けた研究（例えば、リンク1と2）から得られたデータは、HUB腫瘍オルガノイドが、以下の特徴を持つ唯一の臨床的に適切な 3D in vitro モデルであることを確立しました。
- 長期培養および凍結保存後のゲノムおよび表現型の安定性
- 高い臨床予測性
- in vivo モデルと比較した拡張性の容易さ
これらの特徴は、腫瘍オルガノイドを長期間継代培養してバイオバンク化し、後に凍結保存したものをフォローアップ研究のために蘇生させながら、何世代にもわたって親腫瘍の表現型や遺伝的特徴を保持します
腫瘍オルガノイドは、患者腫瘍から直接採取した組織（患者由来オルガノイド[PDO]）、または PDX としてマウスで増殖した患者腫瘍組織（PDX 由来オルガノイド[PDXO]）、さらには患者由来の同所性異種移植（PDOX）を用いて作られます。 PDXO と PDOX はどちらも、既存の PDX から新しい腫瘍オルガノイドモデルを生成することで、細胞群研究のための PDO コレクションの増殖を可能にします。
2019年、Crown BioscienceはHUBと戦略的パートナーシップを締結し、前臨床段階の抗がん剤開発と検証のための HUB 技術の独占的プロバイダーとなりました。
PDX モデルとオルガノイドモデルのどちらを使用するのがよいですが？
PDX は、ヒト腫瘍のゲノムおよび表現型の複雑性を正確に再現できることから、臨床効果を予測する最適な前臨床 in vivo モデルです。PDX は患者の腫瘍組織から直接得られたものであるため、元の患者の腫瘍と比較して遺伝的完全性を元の腫瘍を近い形で反映します。さらに、特定の患者集団に由来する PDX モデルのコレクションは、その集団内の腫瘍の不均一性を捉えます。しかし、開発コストや維持に時間がかかるため、候補化合物の大規模なスクリーニングを初期段階で行うよりも、後期の研究に適しています。
3D in vitro オルガノイドは、in vitro システムの柔軟性と、患者由来モデルの予測力を併せ持っています。したがって、その応用範囲は、以下のようなさまざまな in vitro 試験に及びます。
- ハイスループットスクリーン
- ハイコンテンツイメージング（HCI）（500以上の表現型パラメータを評価）
- 投与量の決定
- 有効性の定量化
- コンビネーション戦略
- PDXモデルの選択
- 免疫療法応用のための共培養
PDXO は生物学的に PDX と同等なため、研究者は、ハイスループットな薬物スクリーニングに、十分に特性化された PDXO の大規模なコレクション（バイオバンク）を、異種のがん患者集団のサロゲートとして容易に活用することができます。これにより、臨床的関連性を維持しながら、in vivo 試験と比較してコストと期間を削減できます。PDXO パネルのスクリーニングで同定された化合物は、研究者が後期の in vivo PDX モデル研究を待つのとは対照的に、より早い段階で決定を下し、in vitro データの予測信頼性を高めて、よりターゲットを絞った in vivo 有効性試験に進むことを可能にします。
オルガノイドモデル：利点と課題
前述したように、3D in vitro 腫瘍オルガノイドは、従来の2D細胞株よりも臨床的に関連性があり、in vivo モデルと比較すると、研究者は多くの場合で時間と費用を節約できます。 さらに、利用可能な PDO/PDXO モデルのほとんどが PDX としても利用可能なため、研究者は応答性の高い in vivo 適合モデルに直接アクセスでき、これらのモデルを補完的に使用することで、初期の in vitro 試験から後期の動物ベースの検証試験へと効率的に移行することができます。
PDO を活用する利点は、革新的な治療薬の臨床候補を発見した研究で強調されています。この研究で Herpers たち（Crown Bioscience の科学者たちの支援）は、複雑な薬物応答を機能的に評価するために、PDO を HCI と組み合わせて使用しました。腫瘍オルガノイドを用いたハイスループットスクリーニングにより、健常な LGR5+ 結腸幹細胞への毒性を最小限に抑えつつ、LGR5+がん幹細胞において特異的に EGFR 分解を誘発する二重特異性抗体が同定されました。この抗体の効果は、マッチさせた in vivo PDOX および PDX モデルでさらに検証されました。この例は、HCI を用いて PDO パネルを機能的にスクリーニングすることにより、効率的に薬剤候補を見出す可能性を強調し、PDOX と PDX の両モデルを用いた in vivo 試験により、 PDO スクリーニングの結果に対するトランスレーショナルな信頼性を提供します
研究者は、腫瘍オルガノイドに関連するいくつかの一般的な課題についても認識しておく必要があります。 例えば、上皮由来の固形腫瘍にのみ開発可能で、腫瘍微小環境の組成を欠いてはいますが、この制限は腫瘍オルガノイドの共培養で克服できます。 非自己ヒト免疫細胞との共培養が最も一般的であり、腫瘍オルガノイドの同種間T細胞応答/死滅や免疫チェックポイント阻害剤の効力試験に使用されています
結論
HUB プロトコルを用いて開発された腫瘍オルガノイドは、親ヒトがん組織で観察される複雑性を忠実に再現しており、高い患者関連性と翻訳可能性を示しています。腫瘍オルガノイドの基本的な性質は、ハイスループットアッセイを含む創薬の幅広い重要な応用で、頑健で再現性が高く、後期の検証研究により適した in vivo PDX モデルに効率的な利点をもたらします。
十分に特性化された腫瘍オルガノイドバイオバンクと補完的なPDXモデルを活用することで、研究者は、従来の2D細胞株の利便性と in vivo モデルの予測力とのギャップを埋める in vitro システムを備えます。これによって、翻訳性が高く、臨床的に成功する薬剤候補を選択する可能性を最大限に高めることができます。
