ミニラボで放射性物質がガンと闘う

May, 31, 2023, Dresden--放射線が生命を救うことができる。化学療法、手術でもなく、外部からの放射能が抗ガンに役に立たないとき、最新医学は、いわゆる放射性医薬品を使う。
これらの放射性薬剤は、ガン細胞を検出するだけでなく、腫瘍を破壊するために内部からターゲットを絞って放射線を出力する。しかし、そのような物質が人に使えるようになる前に、開発中に、広範な動物実験が現在、必要とされている。ドレスデンのFraunhofer Institute for Material and Beam Technology IWSと Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)の共同プロジェクトは､現在、これの代替法を研究している。チップフォーマットの人工臓器構造と腫瘍が、これの基盤を形成する。

連邦食品・農業省からの情報によると、2021年ドイツでは、合計186万の脊椎動物と節足動物が、論究目的で利用された。これは､前年比で26%少ないが、それでも非常に大きな数字である。ドイツの実験室で最もよく使用される動物は、マウス、サカナ、ラット。「現在、多くの研究課題が、そのような動物実験の助けを借りて解決される必要がある」とHZDR

研究では、Dr. Wiebke SihverとHZDRチームは、ガン診断のための放射性標識物質の開発と応用に関心を持っており、特にガン治療である。これらの放射性リガンドは、核種(放射性核種)でラベリングされており、ターゲット分子と結合している､ガンの場合は腫瘍の特殊な標的構造である。放射性医薬品は、直接その腫瘍に働きかける。周辺の健康な組織は、危害を加えられない。今日まで、HZDRで開発された放射性医薬品は、試験管で特性評価の後に、マウスやラットなど動物モデルでテストされなければならない。数年前、Wiebke Sihverは、放射性医薬品研究における多くの動物実験の代用をすでに追求していた。代替システム研究中に同氏は、直ぐにFraunhofer IWSと遭遇した。そこでは、チームは、数年前から生体模倣システムを研究していた。これは、培養されたミニ生物を使い、人体の機能を模倣する。例えば、人の細胞を利用することで、動物実験よりも人の腫瘍に近くなる。それは、新しい考えの出発点であった。

大きな可能性を秘めた開発
Fraunhofer IWSの研究者は、すでに10年以上前からミニラボ(mini-labs)に取り組んでいる。タブレットボックス形態のこれら生体模倣システムにより、臓器の機能、病気の経過さえも、細胞培養の助けを借りて人工的に表現できる。バルブとチャネルが血管系をシミュレートし、小さなポンプが鼓動をシミュレートする。生体模倣システムは、相互に上に層化それたプラスチック膜でできている。血管とチャンバーは、レーザでこれらに切断される。特殊なモジュールでは、ユーザは、後で、細胞培養する。これは、マイクロシステムで最大一ヶ月、生存可能である。その間、血液が、細胞に酸素と栄養素を供給する栄養媒体の形で、ミニラボを循環する。数年前、このフレームワークは、2つの臓器を表せるだけだった。今日では、これら新しい多臓器チップで4つの臓器を同時にシミュレートできる。

HZDRチームが、Fraunhofer IWSに目を向けたとき、そこの専門家は、新しいアプリケーションの可能性を即座に認識した。「多臓器チップは、放射性医薬品の開発ではまだ使用されていない、よって、それには大きな需要がある」とグループリーダー、Florian Schmiederは説明している。同氏は、Fraunhofer IWSで長年lab-on-a-chip研究に関与している。2つの研究機関はともに、ドイツ連邦教育・研究省、「動物実験の代替法」研究の助成金申請に成功した。これは、2024年まで続く、またチームは、最初の期待できる結果を達成した。

動物実験数の削減
共同研究は、3D腫瘍モデルをチップに載せることを目標にしている。それが、放射性医薬品を簡素に、より安価にする。2D細胞培養から3D細胞凝集体を作ること、腫瘍組織を模擬できるスフェロイドを作ることが、最初の挑戦だった。「これによりわれわれは、マイクロ腫瘍をわれわれのシステムに組み込むことがてきる」とFraunhofer IWS、開発エンジニアStephan Behrensは、説明する。大局的には、このようなチップ表示は、ますます詳細にならなければならいない。例えば、患者特有の細胞を使う。放射性薬理学的に検出できる、様々な腫瘍細胞タイプに新発見の特徴的なタンパク質を判定するためである。

多臓器チップによるWiebke Sihverとチームの最初のテストは、すでに有益な結果を示していた。まず、チームは、その特性がチップで簡単に観察できる既知の物質を使った。「腫瘍スフェロイドとの結合がすでに機能していることは分かっていた」(Sihver)。チームは、チップに腎臓モデルと肝臓オルガノイドを表示することも計画している。特に腎臓は、放射線限度があると考えられているので、放射線医薬品研究では重要な役割を担う。要するに、放射性リガンドが行き詰まると、これは腎臓への損傷だけでなく､肝臓細胞の損傷にもつながる」と研究者は説明している。同氏によると、チップで､細胞培養を使うそのような物質のテストが、期待できる代替となる。プロジェクトにおけるテストが引き続き確実であるなら、後に未知の放射性リガンドもテストされる。「これは、多数の動物実験を削減する」(Sihver)。その研究は、まだ動物実験を完全に除去できるわけではないが、研究者は、その数を減らそうと取り組んでいる・

新開発の結果として、Florian Schmiederは、未来の患者には多くの利点が見込めると考えている。「われわれは、患者に特化した細胞をチップに設置し、それがガンの発達の仕方をシミュレートすることができる」。患者のニーズに調整した個々の治療は、この方法で可能になる。「ガンは、動物モデルでは、それほど現れない腫瘍特異性抗原も形成する」。これは、チップでも実現できるはずである。