鼓動するミニ心臓は巨額の資金と、もしかしたら命を救うかもしれない

ノボハートの香港本社にあるインキュベーターの扉を開けると、温かい甘塩っぱい培養液に浸された、エンドウ豆のような形をした脈打つ塊が12個ほどある。これらは3Dのヒト心臓オルガノイドで、実物を縮小・簡略化したものだ。そして、今まさにあなたの胸の中で鼓動している4つの心臓のうちの1つのように、内部に空洞を持つ世界初の心臓オルガノイドだ。薬物検査の未来がここにある。

製薬会社は通常、新薬を市場に出すまでに数十億ドルと10年もの歳月を費やします。薬は、高額な費用がかかる臨床試験で初めて発見される有害な副作用によって、効果が薄れてしまうことがよくあります。そして、心臓は問題が最も起こりやすい部位です。そのため、製薬会社は心臓の問題を早期に発見する方法を模索してきました。

ミニチュア心臓は、実際の組織とほぼ同様に治療に反応します。つまり、動きが速くなったり遅くなったり、弱くなったり強くなったりします。ミニチュア心臓を製造する企業（ノボハート社や、平らなペトリ皿状の生きた人間の心臓組織を製造するニューヨークのタラ・バイオシステムズ社など）は、こうした変化を測定し、そのデータを製薬会社に送ります。製薬会社は、実際の人間が関与する（あるいは傷つける）前に、潜在的な問題を警告することができます。ここ数年、これらの企業は大手製薬会社と契約を重ね、ある種の早期警告システムを開発しています。

小さな人工臓器を使って薬を試験するというアイデアは目新しいものではない。しかし、実際に生物学的に機能させるのはごく最近の進歩だ。最大の問題は、培養された心臓細胞がなかなか成長しないことだ。機能するためには、成人の心臓を構成する様々な種類の細胞へと成熟する必要がある。この分化がなければ、薬剤がドッキングできる多くのタンパク質が欠如してしまう。

ノボハートの共同創業者であり、マウントサイナイ・アイカーン医科大学の心臓血管細胞・組織工学部門のディレクターを務めるケビン・コスタ氏がミニ心臓の研究を始めた頃、科学者たちは細胞を培養皿の上で単層にすることしかできなかった。細胞はその場でくねくねと動くことはできたものの、負荷に抗して収縮することはできなかった。実際の心臓は毎分約70回収縮しているのだが、収縮には抵抗できなかった。そのためには、科学者たちは細胞を三次元に持ち込む必要があった。細胞を自由に浮遊する塊、つまり球形に押し込み、平面に邪魔されない状態で、天然の心臓組織に見られる様々な細胞型へと分化させ始めたのだ。

Novoheartによるビデオ

しかし、まだ心臓組織のようには機能していませんでした。そこで次に、これらの細胞種をシート状に組織化する作業に着手しました。心筋は合板のようなもので、異なる方向に並んだ個別の細胞の層で構成されており、これらの細胞が協力して電気パルスに反応して力強く収縮します。しかし、これだけの作業を終えても、人工組織片には依然としていくつかの重要な機能が欠けていました。コスタは、心室の形をするだけで、天然の心筋に見られる特性をさらに多く備えられるのではないかと考えました。

しかし、これらの層状構造を中空のハートの球体を形成するには、かなりの創造力が必要でした。

Novoheartの科学者たちは、幹細胞から遺伝子を再プログラムした何百万もの心臓細胞を、秘密のソース、つまり皮膚の自己修復を助ける細胞である皮膚線維芽細胞と一緒に鋳型に入れました。これにより、自然組織をよりよく模倣したさまざまな種類の細胞が生まれました。ゼリーのように、それらは空っぽの地球儀の形に互いにくっつきました。コスタ氏は、3D組織は大人の心臓というよりは赤ちゃんの心臓に似ていますが、細長い形のものよりリアルに反応すると語ります。「中が空洞の球体が本物に近い反応を示す理由を完全には理解していません」とコスタ氏は言います。「内部で液体が渦巻いているからでしょうか？せん断応力が細胞の発達に影響を与えるのでしょうか？まだはっきりとはわかりませんが、その形状にすることで何か特別なことがあるのは間違いありません。心臓のように機能するので、心臓なのです。」

もちろん、これは本当の心臓ではありません。しかし、多くの製薬会社が薬剤の毒性試験に利用することに興味を持つほどの性能を備えています。さらに、ノボハート社はミニ心臓を用いて疾患の理解を深めています。同社はファイザー社と提携し、フリードライヒ運動失調症のミニ心臓モデルを開発する研究を完了したばかりです。フリードライヒ運動失調症は稀ですが致命的な遺伝性神経筋疾患で、現在FDA承認の治療法はありません。ノボハート社は、この疾患に関連する遺伝子変異を持つ細胞を用いて、同様の電気的および機械的な機能不全を再現することに成功しました。コスタ氏は、これが疾患ミニ心臓モデルの完全なライブラリ構築に向けた第一歩に過ぎず、特に信頼できる動物モデルが存在しない疾患に対する新薬発見に役立つことを期待しています。

タラ・バイオシステムズも、組織片を用いてこの目標達成に取り組んでいます。さらに、将来的には、遺伝的背景の異なる心臓細胞が治療にどのように反応するかを調べる、個別化薬物試験のプラットフォームとなることを計画しています。しかし今のところは、10社の製薬会社の顧客からの高まる需要に応えるため、毎週200個の新しい培養物を生成することに注力しています。

規制の観点から見ると、彼らのタイミングはまさに絶好だ。FDAは現在、新薬における生命を脅かす心血管系の副作用を検出するための新たな安全性スクリーニング手法を検討している。このシステムは、コンピューターシミュレーションと、タラの組織片やノボハートの心室を構成するのと同じ種類の細胞を用いた試験の両方を用いる。

「FDA自身も、現在広く使用されている検査法が十分ではないことを認識しており、代替手段を模索しています」と、ワシントン大学のバイオエンジニア、ネイト・ヒューブッシュ氏は語る。ヒューブッシュ氏はベイエリアのスタートアップ企業オルガノス社と共同で、薬物検査用のミニチュア組織の開発に取り組んでいる。技術的には競合企業ではあるものの、タラ社とノボハート社の成果には感銘を受けている。「両社とも、この分野の最先端科学を担う大物リーダーが率いています」と彼は言う。ヒューブッシュ氏はまた、現実的な視点も強調する。ミニ心臓がすぐに動物モデルに完全に取って代わることはないだろう。しかし、本物の心臓を完全に停止させる前に、ミニ心臓が危険な薬物を阻止する可能性はある。

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