「Body-On-Chip」マイクロ流体ソリューションで3Dプリンティングを活用

より優れた体内実験モデルの必要性

Finding and testing new drugs is always a complex and expensive process. Historically, it was entirely reliant on testing the new products on animals and humans.

近年では、in‑vitro（試験管内）テストが使用され、潜在的な新薬が特定の細胞タイプに対して何をするかを調べています。

しかし、in‑vitro研究の妥当性は常に不確かです。全身（動物または人間）は単なる細胞培養とは大きく異なるからです。抗がん剤は腸で吸収され、肝臓で新たな分子に変換され、脳に予期せぬ影響を及ぼす可能性があります。これらのプロセスは、がん細胞培養だけでは正確に把握できません。

これは単なる学術的問題ではなく、多くの潜在的薬剤が臨床試験の第I相で失敗し、動物やin‑vitro研究では十分に早期に特定できなかった安全性問題が明らかになるからです。

結果として多額の費用がかかり、将来の救命薬のコストも上昇します。

出典: Research Gate

幸いにも、新技術が登場し、実験室での全身をはるかに正確にシミュレートできる可能性があります。

オルガン・オン・チップ

「Body-on-a-chip」は「human-on-a-chip」やマイクロ生理学システムとも呼ばれ、細胞培養を用いて全身またはその一部を再現しようとします。

そのために、複数のミニチュアin‑vitro臓器（「organ-on-a-chip」）を接続します。

出典: Harvard 

Organ-on-a-chip は、マイクロ流体技術を用いて細胞培養に栄養を供給し、栄養素や薬剤が実際の臓器に拡散する様子をリアルにシミュレートする技術です。

例えば、「airway-on-a-chip」モデルを作成してヒトの気道の働きをシミュレートしたり、human intestines、kidney、bone marrow のモデルを作成することができます。

https://player.vimeo.com/video/148415347?h=1791b1a543

Organ-On-A-Chip から Body-On-A-Chip へ

複数の organ-on-a-chip システムを組み合わせることで、全身の一部を作り出し、薬剤が実際の患者で行う生物学的プロセスを適切に考慮できるようになります。

これにより、免疫応答、腸や肺、血管での薬物吸収、筋肉収縮、肝臓での代謝など、多様な生物学的メカニズムを考慮できます。

出典: Harvard

改めて重要なのは、薬剤の効果（肯定的・否定的）を正しく理解するには、さまざまな臓器の反応を考慮しなければならないからです。

Body-On-Chip の設計

すべての body-on-chip が同じように作られているわけではなく、全体システムを構築するための organ-on-chip にはさまざまな設計が存在します。各設計はそれぞれ利点があり、医療研究者によって異なる用途で使用されています。

分類方法の一つは、使用される細胞や組織のタイプです。ある organ-on-chip は単一の細胞タイプ（単一培養）だけを使用し、人工的な微細構造やコラーゲン層でサポートします。別のものは、複数の細胞タイプを集合体（スフェロイド）やより複雑な 3D 構造で組み合わせています。

出典: Nature.com

別の分類方法は、液体が organ-on-chip 内部や間でどのように移動するかを検討します。共通の培地を共有する場合や、血液やリンパ系を模したカスタムチューブで接続する場合があります。液体の流れは連続的であったり、ロボットによる流体移動で制御されたりします。

また、栄養素や薬剤の循環液から多孔質膜や細胞層（内皮）で分離させることも可能です。

出典: Nature.com

ご想像の通り、設計の多様性はほぼ無限の組み合わせを生み出します。そのため、すでに非常に有用であるものの、研究者は organ-on-chip や body-on-chip の設計段階の初期にあり、完璧な再現性、信頼性、製造コストの最適なバランスを模索し続けています。

Organ-On-Chip 市場

Organ-on-chip は新しい技術で、研究室を抜けて薬剤開発プロセスに入るほどの成熟度にようやく達しました。2023 年の市場規模は 1億0300万ドルでした。

予測では、organ-on-chip の市場は 2026 年までに 3億0300万ドル、動物実験の代替による急速な成長で 2027 年には 5億2900万ドルと見込まれています。他の予測では、2032 年までに 14億ドルに成長し、8 年で 10 倍以上になるとされています。

Body-on-chip はさらに新しく、技術革新により性能と信頼性が向上し、コスト削減が大きく期待されています。

Body-On-Chip の応用

薬物動態学

薬物の有効性や潜在的な毒性に深く影響する重要な特性は「薬物動態学」です。簡単に言えば、薬が体内や各臓器の組織にどれだけ速く拡散するかを指します。

これは紙上やコンピュータモデルだけでは予測が難しく、腸や血流、臓器が特定の化学物質にどのように反応するかに依存します。

そのため、できるだけ完全な body-on-chip が必要で、薬剤の投与経路（経口（胃・腸）、エアロゾル（肺）、静脈内（血流））に応じて入口が変わります。

出典: Nature.com

個別化医療

Body-on-chip のもう一つの大きな期待は個別化医療です。研究者やバイオテックスタートアップは、全人類向けではなく、性別、祖先、年齢、遺伝子プロファイルなどのサブカテゴリ、さらには個々の患者に合わせた薬剤開発を目指しています。

高い再現性、健康リスクの低さ、低コストのおかげで、開発初期段階での薬剤の微調整において多くの臨床試験を有利に置き換えることができます。

例えば、安全性問題が発生した際に代替薬候補を特定するのに役立ち、特定のサブポピュレーションにのみ影響がある場合に有効です。

出典: Nature.com

当初、body-on-chip は既存の in‑vitro および動物実験に対する優位性を示す必要があります。

しかし、最終的な目標は、in‑vivo の患者臨床試験を正確に再現することです。

さらに遠い未来には、患者自身の細胞を含む body-on-chip が、さまざまな薬剤に対する反応を事前に予測し、最適な治療法を決定するために使用されることが想像できます。

3D プリントで Body-On-Chip の製造を支援

実際の臓器は、さまざまな細胞と組織が複雑に混在した 3D 構造です。

フルボディの body-on-chip を構成する organ-on-chip が実際の臓器をリアルにシミュレートするためには、製造プロセスで実臓器組織のほぼ正確なレプリカを作成する必要があります。将来的には、完全に成長した臓器を作ることさえ可能になるかもしれません。

これは、バイオプリンティングと呼ばれる新興技術のおかげでのみ実現可能です。

3D プリントの基本原理を再利用します。ノズルはコンピュータで制御され、目的の材料を少しずつ正確な位置に堆積させます。ただし、プラスチックや金属の代わりに生細胞を堆積させます。

バイオプリンティングは organ と body-on-chip 技術と並行して進化しており、当初は細胞での「印刷」技術的課題の解決に重点が置かれていました。

現在、業界は依然として人工足場に頼って印刷された細胞に構造を与えています。しかし、より有機的に近い 3D プリント臓器の作成に進展が見られます。

したがって、現在の organ-on-chip が主に臓器組織の多層テンプレートを再現しているのであれば、先進的なバイオプリンティング手法と組み合わせることで、さらにリアルなシミュレーションが可能になります。

詳しく知りたい方は、当社の記事「Organs On Demand：Best 3D Bioprinting Stocks」および「New Technique Allows 3D Printing of Functional Brain Tissue」をご覧ください。

バイオプリンティングと Body-On-Chip 企業

1. BICO Group AB (BICO.ST)

2021 年に Cellink は BICO Group に名称変更され、2019 年に Cytena のラボオートメーションツール、2020 年に Scienion の高精度マイクロドロップ測定ツールを取得しました。

Cellink は依然として同社のバイオプリンティング部門のブランド名です。

この分野で唯一ではありませんが、Cellink はバイオプリンティング機器の高度なメーカーであり、バイオテックやバイオ医療の研究者に供給することに注力しています。

長期的には、バイオプリンティング企業は研究者向けツール提供から、製薬会社の患者向けバイオプリンティング治療の供給者へと進化する可能性があります。これにより、使用されるバイオプリンターの数は大きく変わり、何よりも毎月販売される消耗品の量が劇的に増加します。

これは、PacBio（PACB）や Illumina（ILMN）などのゲノムシーケンサーなど、他のバイオラボ機器メーカーでも同様のプロセスが起き、売上の 80% を消耗品の継続的な販売から得るようになったケースと同じです。

2. Organovo

Organovo の独自技術は、3D プリントされたヒト組織を用いて、実際のヒト組織の構成、構造、機能、疾患などの重要な側面を模倣します。

この技術は治療可能性のある新分子の探索に使用されました。まず 3D 組織モデルで候補分子を検証することで、ヒトでの試験前により現実的な in‑vitro 細胞モデルを提供し、臨床試験での失敗リスクを低減できると期待しています。

Organovo のパイプラインは炎症性腸疾患（IFD）と肝線維症に焦点を当てており、臨床試験のフェーズ 2/3 のプログラムとフェーズ 1 のプログラムがあります。フェーズ 2a の概念実証結果は 2025 年後半に期待されています。

出典: Organovo

2022 年の米国での症例は 210 万件、世界全体で 1300 万件で、潰瘍性大腸炎は IFD の一形態であり、6.6 億ドル規模の市場です。また、2032 年まで年平均成長率 6% で成長し、120 億ドル規模になると予測されています。

Organovo は極性上皮と間質層を備えた腸組織のリアルなシミュレーションを使用しているため、薬剤が患者にどのように作用するかを in‑vitro で適切に再現できていると考えられます。

出典: Organovo

Body-on-chip が成熟すれば、Organovo の 3D プリントヒト組織を用いるアプローチは、薬剤開発における早期の潜在的問題を予測する可能性がさらに高まるでしょう。

これにより、同社は薬剤探索を加速し、旧来の手法に依存する競合他社よりも資本をより効率的に活用できるようになるはずです。