この記事は、2023年3月にBiocompare.comに掲載されたもので、Josh P. Robertsが執筆しています。
CRISPR/Cas9などの編集ツールの使用により、研究者は細胞のゲノムをほとんど自由に変更できるようになりましたが、これは研究者にとって革命的なことです。 これにより、特定の遺伝子の機能的組込（ノックイン）、改変（SNP、CNV）、欠損（ノックアウト）、発現低下（ノックダウン）させた細胞株、オルガノイド、さらには組織固有の状況で移植片を作製することができます。遺伝子スクリーニングや組織工学などの分野でも、発生、老化、がん、その他の疾患プロセスの解明など、さまざまな可能性が広がっています。 医薬品のスクリーニングや開発の領域では、CRISPRを使用して、遺伝的に疾患状態を模倣したものを含む細胞株やオルガノイドモデルシステムを作成することができ、例えばターゲットの同定や検証、リードのスクリーニングや最適化が可能となります。
CRISPRは、エピトープタグや蛍光タグなどの内因性標識をノックインするのにも有効で、in vitroやin vivoでタンパク質や細胞を追跡することができます。
モデルシステムとしてのオルガノイド
細胞株は、製薬業界の主力商品です。 これらの遺伝的に均質な2次元（2D) 組織特異的プラットフォームは、通常、正常細胞または患者由来の初代細胞に由来し、遺伝子操作により創薬開発のための新たな基礎環境を提供できます。 腫瘍に由来しない2D培養物は、無限に分裂できるように不死化する必要があります。
しかし、人体では、細胞同士や細胞が分泌する細胞外マトリックス（ECM一部に細胞の相互作用の結果として、異なる特性を持つ複雑な臓器構造を構築します。 ラボ内で、細胞の研究だけでは予測できない新しい特質が、その相互作用から生まれてくるのです。In vitroの2D細胞培養は、バイオメディカル科学の知見と発見の源泉となっています。しかし、in vivo内では細胞が(3D)細胞培養の使用に向かっています。
これらのin vitroの多細胞構造体は、自己組織化しin vivo臓器の構造と機能を持つ3D構造に分化しています。 ES細胞、iPS細胞、あるいは成体幹細胞など、あまり分化していない健康な幹細胞や病気の幹細胞に由来するものです。例えば、正常または病気の腸や肝臓の解剖学的形態や生理機能の多くを再現したオルガノイドを作成することができます。また、2D細胞培養と同様に、オルガノイドは遺伝子操作に適しています。
オルガノイドは、2Dのものと比べて少なくとも2つの大きな利点があります。1つ目は、安定した初代細胞培養を樹立するために、非形質転換細胞を不死化する必要がないことです。オルガノイドは、何年にもわたり継代しても遺伝子型や表現型が維持されることが示されています
2つ目は、オルガノイドがその子孫がより成熟した細胞型に分化する能力を保持しており、分化した子孫と模倣した臓器との相互作用を研究したり、複能性幹細胞自体の生物学上の研究をするため、同じ系統を使用することができます。
遺伝子組換え細胞株とオルガノイド
3Dオルガノイド培養の性質は、モデルとなる臓器の構造や機能をより忠実に再現できるなどの利点があります。しかし、そうしたメリットには、いくつかのデメリットや課題もあります。
オルガノイドは、細胞外マトリックスまたはその合成等価物の上で増殖するため、培養のセットアップと維持が難しくなります。一般に、3D構造の実験は、2D培養の実験に比べて、コストや時間がかかり、技術的にも要件が高くなります。 また、細胞の分割やカウントなど、画像処理にも大きな課題があります。
オルガノイドの細胞は、2Dラインの細胞に比べて、遺伝子操作が難しくなります。 その結果、モザイクを避けるために、ほとんどのプロトコルは、オルガノイドを単一細胞に分解し、特定の成長因子やサプリメントを使用して幹細胞のサイクルと拡張を促してから、遺伝子導入の対象とすることを求めています。1つの遺伝子改変幹細胞から生まれた新しい遺伝子改変オルガノイドは、クローン的に拡大し、凍結保存して、例えば、アイソジェニックコントロールとして使用できます。
現在と未来
細胞を2D培養することで、多くのこと明らかになってきましたが、今も研究が続いています。オルガノイドは、その元となった臓器の生理機能をよりよく再現しているため、その臓器の正常な状態や病気の状態、その発生をよく理解することにつながります。 オルガノイドは、健康なドナーや患者由来の細胞から培養することができ、遺伝子編集やクローン増殖が実際に無限にできるため、生物学的研究や医薬品のスクリーニングの基礎とすることができます。
また、CRISPR/Cas9を用いたオルガノイドは、異種移植片として動物に導入することも可能であり、基礎生物学研究から腫瘍学、再生医療に至るまで大きな可能性を持っています。 また、臓器移植に代わる比較的迅速かつ簡単な治療法として、それらの発見と検証のための「デザイナーズin vivoモデルを構築することも可能です。
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