新規in vitro細胞アッセイとしてのMicrophysiological Systems（ 生体模倣システム）- MPSの開発を色々な面から眺めてみる
Microphysiological Systems as a Novel In Vitro Cell Assay Looking at the Development of MPS from Various Perspectives

石 田 誠一Seiichi Ishida

崇城大学大学院 工学研究科 応用生命科学専攻 教授

Division of Applied Life Science, Graduate School of Engineering, Sojo University (Professor)

Microphysiological systems (MPS)

序01

MPSとは02

本稿では、新規in vitro細胞アッセイとして近年学会や専門

ヒトの組織/臓器から細胞を単離し実験室で培養すること、つま誌で目にする機会が増えているMPS（ Microphysiologicalり試験管内（in vitro）
においてヒト組織/臓器を模倣しようといSystems：生体模倣システム）について論じる。MPSの定義や、使う試みは古くから行われており、HeLa細胞が樹立された1950

用目的から求められる機能、模倣の対象とする臓器/組織による年代から現在まで連綿として試みられている。人工臓器やバイオMPSの構成要件、規制側から見たMPSの位置づけなどについリアクターのような大がかりな培養装置は別として、長らくは培て、それぞれにまつわる異なる視点からの議論を対比させて扱う

養ディッシュの中で細胞を平面的に培養するだけにとどまっていことで、MPS開発の将来展開を考えてみたい。MPSについては、た。
しかし培養器への微細加工技術が進展したことや、初代培養

近年多くの総説が出ており、筆者が参加したAMED-MPSプロ細胞の維持培養法やES細胞、iPS細胞に代表される幹細胞分化ジェクトの概要も含め、そちらも参考にされたい。

1, 2, 3, 4, 5)

誘導法の開発が進むにつれて、さまざまな培養器と細胞資源が利用できるようになり、近年多様な細胞培養手法が提供されるようになってきた。それらをスループット性と生体機能の反映度か

図1 in vitro培養系の分類

26

THE CHEMICAL TIMES
ら分類すると図１のようになろう。スループット性は従来からの平が期待値であろう。一方で、MPSを利用する業界によって、当然面培養がやはり優れているが、生体機能を模倣するという点ではながらCoUが異なる点は注意を要する。筆者が今まで関わって限界がある。それらを両立させるために、生体を構成する複数のきた分野を例に挙げると、化学物質の分野と医薬品分野では、細胞を共培養する系や膜透過性を再現するセルカルチャーインCoUが異なっている印象である。

サートの系などが開発されてきた。また、幹細胞からの分化誘導

まず化学物質の分野では、ヒト健康影響評価の代替法の開発技術が開発されたことにより、組織分化の系譜をなぞることで三が大きな課題となっている。そのため従来の実験動物で行って次元的なミニ組織をin vitroで構築する、オルガノイドの形成もいた評価項目に対して、いかにMPSというin vitro細胞アッセイ可能になってきている。このような培養を行うことで、生体機能が当てはまるかが、注目される点であろう。化学物質の分野におを高度に模倣することが可能になってきた 。以上は、生物学的ける動物実験の代替においては、MPSは従来から用いられていな側面からのin vitro細胞培養の生体模倣を目指す技術である。

る試験法の延長線上に位置づけられると考える。すなわち、化学一方で、生体の中で見られる血流のような力学的効果を培養に物質による有害事象をAOP（Adverse Outcome Pathway：有取り入れて生体模倣を目指す、灌流培養も考えられている（灌流害性発現経路）に沿って解析した際、そこに含まれるkey event

培養に対し、従来の培地が循環しない培養を静置培養と呼ぶ）。

(遺伝子やタンパク、免疫系に生じる事象)の評価に有効な試験系

元々、灌流培養はバイオリアクターによる細胞の大量培養や人がMPS開発に期待されるところではなかろうか。もともとAOP工臓器で検討されてきた技術であった。ところが微細加工技術が一連の有害事象をkey eventという細胞内の応答に還元してを用いることにより、灌流培養はチップサイズでも可能になったいく考え方であるため、MPSに求められる性能も細胞全体より、6)ため、ごく普通のインキュベーターがあれば灌流培養を行えるよ

注目する遺伝子やタンパク、免疫系など、細胞内で起こる個々のうになってきた。細胞の培養面で培地を灌流することで流れの効反応をいかに的確に評価できるかが、考慮する点になると考え果を取り込むための培養器が構成の基本である。その一方でそる。一種、組織や臓器、それを構成する細胞、というブラックボッ

れらの培養器を複数連結させることにより、複数の組織もしくはクスから、有害事象を惹起する分子生物学の反応を理解してい臓器間の連携を模倣することも可能である。従来これらは、それくリバースエンジニアリングに似た視点からの開発が求められぞれ単組織/臓器チップ（organ-on-a-chip）、多組織/臓器チップているともいえる。ただし、AOPによる有害事象の理解が進むこ（organs-on-a-chip）と呼ばれているものである（図1）。とで、次のステップはkey event同士を繋いでいくこと、さらにそもそもMPSとは何であろうか。近年、MPSの開発が進む中、は、複数のAOPの連関を見る方向がみえてくる。Key event一米国食品医薬品局（FDA）
から「生体模倣システム（MPS）
は、ヒつを再現するのが単組織/臓器チップであるとすれば、今後、そトや動物由来の特定の組織や器官の機能的特徴をin vitroでモれらをいかに連結していくか、言い換えれば、多組織/臓器チップデル化するために、その機能や病態に重要な生理学的側面を模に組み上げていくかが論点になってくると思われる。現在、IATA

倣した微小環境に細胞を曝露することによって、マイクロスケー（Integrated Approaches to Testing and Assessment：ルの細胞培養プラットフォームを提供するもの。」という定義がさまざまな情報（in vitro, in silicoなど）を統合して有害事象の提唱され、MPSの守備範囲が広範囲に拡がったように感じる。一

評価をする手法）構築の一環として、化学物質の体内動態をdry

方で、Pfizer社のグループからは、「Complex in vitro Models

simulatorの一種であるin silicoで予測するために各機関にお(CVM)」という概念で従来からある培養ディッシュを用いた平いて議論されているが、MPSがwet simulatorとして用いられ面培養を除く培養系すべてがMPSである、という主張がされてるようになる日が来るかもしれない 。

おり、欧米の製薬企業が中心となり活動するIQコンソーシアムの次に医薬品分野におけるMPSへの期待は、開発品の体内動態

MPS分科会ではこの理解が一般的になっているようである。
しかを考慮した毒性評価や安全性評価、薬効評価である。これらの中し、このような細胞培養技術を広範囲に包含する定義では、論点でも特に、従来の手法では評価が難しかった項目（アンメットニーがぼやけるため、本稿ではMPSを「組織臓器内の血液の流れをズ）を解決するための、新規細胞アッセイとしてMPSが期待されin vitroで模倣し、血流が細胞に及ぼす力学的影響と共に、細胞ているであろう。医薬品の開発においては、化合物（開発品）を投の栄養素や代謝老廃物、または薬剤などの物質移動の影響をin

与後、血流により体内に分布して組織/臓器に取り込まれ、どこでvitroで解明できる新規の灌流培養装置」という観点で扱ってみどのような効果を示すかを細胞全体で評価することが望まれる。

たい。

特に、今まで細胞アッセイでは難しかった薬効や毒性の判別、分7)6)8)

子機構解析ができる細胞アッセイ系は“アンメットニーズ”に応えMPSに期待されているもの

03

るものとして期待が高い。この場合、化合物が標的とする細胞応答だけでなく、化合物の細胞内への取り込みや細胞内での代謝、標的以外の細胞応答を含めた評価系である必要がある。そのため医薬品開発の場におけるMPS開発においては、組織/臓器らしでは、MPSにより何を解明することが期待されているのであろ

い応答（我々はこれを「臓器らしさ」と呼んでいる）を評価できる、うか。
「新規」の培養装置という点において、従来の培養法では難in vitro評価系が期待されているようである。

しかった細胞アッセイ系としての使途（Context of Use：CoU）

27

特集

細胞アッセイMPSに求められる性能と特徴

04の接着（タイトジャンクション）が維持されていることは重要である。一方、実質組織・臓器では、化学物質への応答を惹起するさまざまな分子機構が細胞に備わっていることは重要である。また上MPSに求められる性能と特長を説明するためには、まず物質が記に加えて、化学物質を細胞内に取り込む機構が必要になる場

どのように体内へ取り込まれてどのように代謝され排泄されるか合もある（例えば肝実質細胞における物質の取り込み機構）。

を知る必要がある。そこで体外から取り込まれた物質が体内を巡MPSはこれらの組織が有する機能を、in vitroで再構成しやすり、体外へと排泄される主な経路をまとめた様子を図２に示す。

いようにさまざまな工夫がなされており、従来の培養器とは区物質が体外から体内に取り込まれるためには、肺や小腸などの細別される利点である。代表的な例を、図３にまとめた。バリア組織

胞膜を透過する必要があり、細胞膜を透過した物質は血流に乗っMPSは、従来からあるセルカルチャーインサート培養器を発展さて全身へ行き渡る。小腸から吸収された物質は門脈に乗り肝臓せたものが基本である。例えば、A)では培地の流れが培養下面に入る。肝臓は、小腸門脈や肝動脈血内の物質を処理し、体内でに限られるが、B)では細胞培養面の上下で培地の流れを持たせ利用できる分子に変換するか、不要なものは体外に排泄されやることにより、細胞を透過する前と後で物質（培地）のやり取りがすい分子に変換したのち、全身の血流に戻す。一部の物質は胆容易になっている。以上の二つのバリア組織MPSは、細胞を透過汁とともに小腸へ戻り、糞便中に排泄される。また全身を巡る物性のある孔の空いた膜（トラックエッチング膜）の上に播種してい質のうち、不要な物質は腎臓から尿中に排泄される。末梢に運ばるため、細胞が形成する膜における上下の透過率は膜自身の開れた物質は組織/臓器に分布する。この物質の体内の動きと組織孔率によって制限を受ける。その一方で、C)のバリア組織MPSは/臓器の関係を物質の視点からまとめると、表１のようになる。すトラックエッチング膜よりも開口率の高いECM(Extracellular

なわち、物質の取り込みや排泄の際に通過する小腸や血管のよMatrix：細胞外基質)の界面に沿って細胞が膜を形成するため、うな組織（バリア組織）と、組織/臓器に取り込まれた物質を利用物質交換の効率が高いのが特徴である。またD)の実質組織する実質細胞からなる組織（実質組織・臓器）の2種類に分けられ

MPSは培地を灌流させることにより、流れによる刺激を細胞に与る。それぞれの組織における機能の特徴を見てみよう。まずバリえることが可能となっている（後述）。

ア組織では、物質透過の方向性が重要である。例えば、小腸粘膜上皮では腸管の管腔から血管へ、血管では血管内から組織/臓器へ、という物質の流れを保つために物質の取り込みと排泄が極性を持って行われることが必須である。このような極性を持つためには、それに関わる分子機構（例えばトランスポーター）が配向性をもつことや、細胞間隙からの漏れを防ぐために細胞―細胞培地灌流の効果

05

冒頭でMPSの定義を議論した際、本稿でのMPSに付与されている機能として、「血流が細胞に及ぼす力学的影響」と「細胞の栄養素や代謝老廃物、または薬剤などの物質移動の影響」を挙げた。ここでは、培地を灌流する効果について触れてみたい。
培地を灌流することができるのはMPSの特徴であるが、培地（液体）に流れを持たせることで引き起こされる現象として、剪
断応力と層流が挙げられる。MPSの培養器内における細胞の上面に培地が流れる際、培地は粘性のある液体であるため、培地と接する面にある細胞へ力を及ぼす（剪断応力）。このような剪断
応力の影響は、生体内では血流と血管内皮の間でよく知られており、血流による剪断応力によって内皮細胞が流れ方向に配向し、物質の透過性や生理活性物質の生産能に対して影響を及ぼすことが報告されている。このような灌流がもたらす剪断応力の効果は従来の静置培養では期待できず、MPSがin vitroで再現できる特有の効果と言える9)。もう一つ、培地の灌流を行えることにより再現することが期待される生体環境の模倣として、肝類洞構造に見られるゾネーションがある。肝臓の類洞は、門脈から中心静脈に向かって肝実質細胞が一列に並び、その間を門脈からの血液が流れている。門脈側からは肝動脈も流れ込んでおり、酸素や栄養に富んだ環境にある。一方で、中心静脈側へ向かうにつれて酸素は肝実質細胞に消費され、肝実質細胞からの老廃物や代謝産物が増えてくる。その結果、門脈側に位置する肝実質細胞

図2 体内における化合物の流れ

28と中心静脈側の肝実質細胞では環境が異なっており、実際、糖代THE CHEMICAL TIMES
謝（糖新生、解糖）をはじめとする細胞機能に差異が生じている。

き、MPSの解釈が冒頭のように拡げられたように感じる。
しかし、また肝実質細胞に対する化合物の応答も類洞の位置により異な最近になり、単組織/臓器の培養系が技術的に成熟し始めると、り、例えば四塩化炭素の毒性は中心静脈周辺に認められるというまた、多組織/臓器を連結させるMPSの開発が活発化する兆しことが知られている。そこで実質組織MPSのように閉じられた空が見えてきた。多組織/臓器を連結させる方法は色々と試行さ間で液体をゆっくり流すと、乱流を生じず流れに沿って規則正しれているが、基本は図４に示すような、単組織/臓器チップを複数く流れる状態（この状態を「層流」という）を作ることができる。こ流路で連結したものである。先に行われたMPS World Summit

れを応用すると、上述した肝ゾネーションをin vitroで再現でき、（https://mpsworldsummit.com/）
でも、複数の組織/臓器肝障害の詳細な解析が可能になると期待される 。

を連結させたorgans-on-a-chipの報告が多く見られた11)。た10)だ、
ここで注意しなければならないのは、「高機能の単組織/臓器チップを単純に連結させれば多組織/臓器チップが作れる」
とい06

うほど、ことは単純でない。それぞれの単組織/臓器チップでは冒頭でMPSの定義を議論した際に気づいた読者もいるかもし地に含まれる因子が培養を阻害するといった事象が懸念される。

れないが、FDAの定義やPfizer社の提唱するCVMは、どちらも実際、筆者の経験でも、２つの組織/臓器チップを連結すること単一の組織/臓器を想定して議論しているように思われる。元々、で、それぞれの機能が落ちてしまう、ということは経験している。

MPSは人体を模倣する培養系としてコンセプトが提案され、多この点は、培養条件や培養器の工夫だけでは解決が難しく、多組組織/臓器を同時に培養する培養系の構築が目標であったが、織/臓器チップに適した培地の開発が待たれるところである。

単組織/臓器チップ（organ-on-a-chip）から多組織/臓器チップ（organs-on-a-chip）へ培養の至適条件が異なっているため、単純に単組織/臓器チップを連結し培地を循環させると、ほかのチップから流入してくる培構成する単組織/臓器の機能再現に注力する時代がしばらく続
表1 臓器/組織のタイプ

臓器／組織のタイプ（対応するMPS)

臓器／組織

バリア組織（バリア組織MPS）

小腸
肺
腎臓
血管
血液脳関門

実質組織・臓器（実質組織・臓器MPS）

肝臓
心臓
筋肉

図3 バリア組織MPSと実質組織MPS

29

特集細胞アッセイ

07が異なっても、系統を指定することで実験結果にかなりの再現性

今までの議論では、MPSという新規培養法について論じてきた

物動態や毒性試験においては、同様の状況が期待されると思わ培養器か細胞かが担保されている。MPSで同様の試験を行う際は、細胞株として維持が可能な細胞を用いることが望まれる。医薬品分野でも、薬が、実際のところMPSは培養器と細胞からなる細胞培養プラットれる。その点において細胞の規格化と維持が重要である一方で、フォームである。MPSの特徴である、培地の灌流を行うためには薬物動態では人種差があることは広く知られている。このような培養器の道具立てが重要なのは言うまでもないが、培養器のみ場合、人種差を反映するMPSを揃えることができれば、薬物動態で期待される「臓器らしさ」が構築できるわけではない。例えば、の評価に有用と考えられる。さらに個別化医療に至っては、患者iPS細胞を分化誘導して得られる臓器細胞は幼若な細胞までのごとの特性を反映したMPSの構築が求められるようになってく分化にとどまっているのが現状である。肝実質細胞でも、化合物る。またMPSを疾患の解析に応用することも当然ながら行われの代謝活性が「肝臓らしさ」にとって重要な項目となっているが、ている。このような評価系においては、培養器は再現性のある培iPS細胞由来肝実質細胞をMPSに搭載しても、期待する活性値は養環境を提供することが重要であり、細胞は患者個人の細胞や得られておらず、やはり細胞自体が高機能であることも重要であ疾患モデルとなる細胞を用いることが必要になる。このような場る。その反面で、培地の灌流が可能でも、細胞培養面が通常の細合、患者個人や特定の疾患から樹立されたiPS細胞を目的とする胞培養ディッシュやセルカルチャーインサートと同じ、という培養臓器に分化誘導することが重要な技術要素となると考えられる。

器も散見される。このような培養器では、細胞の培養環境を構築するために、複数細胞の共培養により培養ニッチの再構築を試みている例も多いが、培養手技が複雑化する点を考慮すると必ずしも好ましくないように見受けられる。一方で、今日ではさまざまMPS開発の流れな三次元細胞培養基材が広く手に入る。特に日本はこの分野に09おいて多くの強みを持っている5)。今後、日本が得意とする三次最後に、今後の期待が大きいMPSの開発について、日米欧の公元培養基材を搭載したMPSが開発されてくることを期待したい。

的な開発の状況を簡単にまとめておきたい。
MPSがin vitroで生体を模倣する技術ということで、バイオの技術としては珍しく、当初は表2と表3で示すように、アメリカよりも欧州での開発が先行していた。現在は、それぞれで独自のコンソーシアムが活発に活動している。それぞれの活動については、表４に挙げるURLを参照していただきたい。日本では、2017年より、経済産業省がバックアップしてAMED-MPSプロジェクトが行われた。現在、同プロジェクトの二期目がスタートしたところである。また、厚生労働省のバックアップによるAMED事業もこの4月からスタートしている
（表４）
。

おわりに

10

本稿では、MPSの新規in vitro細胞アッセイとしての開発を俯瞰的に論じてきた。個別の開発例は総説 1, 2, 3, 4, 5)を当たってい図4 単組織/臓器 MPSと組織/臓器結合型 MPS

ただきたいが、まだまだ開発途上の技術であり、多くの論文は個別化医療、疾患モデルとMPS

08

Proof of Conceptの域を出ていないものが多い。その一方で、最近の話題としては、Sanofi社がHEPEROS社のHuman-on-aChip®を用いて得られたデータを、FDAが臨床試験の承認資料として認めたという事例12)もある。この事例のようにMPSが実用CoUを議論した際、MPSを適用する分野によっては、CoUが大化の域に入ってきている例も報告され始めている。MPSの捉えきく異なることを論じた。ここでは、CoUによりMPSの用い方が方に統一された見解がなくとも、新規in vitro細胞アッセイとして異なってくることを搭載する細胞の背景から論じてみたい。の技術開発は日々進歩している。本邦でも、厚生労働省や経済産化学物質の分野では、
ヒト健康影響評価のlegacy dataは実験業省がバックアップするAMEDプロジェクトがスタートしており、動物を用いた病理試料である。ここでは、遺伝的バックグランド

MPSの実用化に日本が立ち後れないように進むことを期待してがコントロールされた実験動物が使われており、たとえ実験施設いる。

30

THE CHEMICAL TIMES
表2 米国における公的機関の活動

年

組織

2010

IQコンソーシアム

活動

2012

DARPA

MPSプログラム開始→ 2019年終了

2012

NCATS

Tissue Chip Programを設立

2017

FDA

2018

IQコンソーシアム

Affiliated GroupとしてIQ MPS設立

2020

IQコンソーシアム

Lab on a Chip誌でMPS特集を発刊

2020

FDA

Alternative Methods Working Group (WG)を組織

2021

FDA

Alternative Methods WGが “Advancing New Alternative Methodologies at FDA”を公表

IQコンソーシアム設立“FDA‘s Predictive Toxicology Roadmap”を公表(毒性予測の新技術としてMPSが筆頭)

表３ 欧州における公的機関の活動

年

組織活動

2011

KNAW

Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen (KNAW, オランダ王立芸術科学アカデミー)が資金提供してCrossing BordersのプログラムでOoCの開発に着手

2015

hDMT

オランダで欧州の産学官連携コンソーシアムである
Human Organ and Disease Model Technologies (hDMT)設立 (欧州初のOoCコンソーシアム)

2017

ORCHID2014年から開始されたHorizon 2020の中でOrgan-on-Chip In Development (ORCHID)のプロジェクトが開始→ 2019年終了

2018EUROoCSORCHIDの活動の一環として、European Organ-on-Chip Society (EUROoCS)が設立

2020

Moore4Medical

電子医療機器のイノベーション促進のため、企業を中心としたコンソーシアムが設立

表４ 公的活動組織の資料入手先

地域

米国

組織

URL

DARPA

https://www.darpa.mil/attachments/MPS_Layout_Final.pdf

NCATS

https://ncats.nih.gov/tissuechip/projects

FDAhttps://www.fda.gov/media/109634/download

FDA

https://www.fda.gov/media/144891/download

IQ コンソーシアム
IQ MPS Affiliate

欧州https://www.iqmps.org/

hDMT

https://www.hdmt.technology/

hDMT

https://digitaalpubliceren.com/hdmt/18283/

EUROoCS

https://euroocs.eu/about-us/

Moore4Medical

https://moore4medical.eu/

Moore4Medical

https://www.dos4ever.com/M4M/WP2.pdf

AMED-MPS Project日本

https://iqconsortium.org/

http://www.scetra.or.jp/business/

AMED「再生医療・遺伝子治療の産業化に向けた基盤技術開発事業」 https://www.amed.go.jp/koubo/13/01/1301C_00018.html
AMED「医薬品等規制調和・評価研究事業」

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4. K. P. Van Ness, F. Cesar, E. J. Kelly, et al. Microphysiologicalsystems in absorption, distribution, metabolism, and elimination
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Perspectives on current applications and future impact. J.
Toxicol. Sci. 2021, 46, 99-114.

https://www.amed.go.jp/koubo/11/03/1103C_00013.html

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Guidance document on the characterisation, validation andreporting of Physiologically Based Kinetic (PBK) models forregulatory purposes. OECD Series on Testing and Assessment.
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10. X. Li, S. M. George, D. L. Taylor, et al. A glass-based,
continuously zonated and vascularized human liver acinus
microphysiological system (vLAMPS) designed for experimental
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11. K. Ronaldson-Bouchard, D. Teles, G. Vunjak-Novakovic, etal. A multiorgan chip with matured tissue niches linked byvascular flow. Nat. Biomed. Eng. 2022, 6, 351–371.
12. National Institutes of Health. Researchers create 3-D model for
rare neuromuscular disorders, setting31