印刷技術と再生医療の出会いが生み出した最先端のミニチュア臓器「ミニ腸」

by Discover DNP編集部

ヒトiPS細胞から作られる「ミニ腸」は、1.5ミリほどの大きさながら、ヒトの腸と似たような機能を持っています。DNPは高度な微細加工技術を生かし、再生医療の先進的な研究を行う成育医療研究センターとの共同研究により、このミニチュア臓器を作製しました。2021年12月に試験販売を開始し、DNPが本格普及に向けた開発を継続しているミニ腸をご紹介します。

目次

アニマルウェルフェアへの意識の高まりと開発費用の抑制のため、注目されるヒト細胞でミニチュア臓器

新しい医薬品（特に内服薬）、私たちの身近にある特定保健用食品や機能性表示食品などの開発の初期段階では、開発中の成分が腸でどのように、もしくはどの程度吸収されるか、また、その後体内でどのような挙動を示すかを評価する実験が行われています。従来、これらは動物実験で評価されることが一般的でしたが、近年は世界的にアニマルウェルフェア※の機運が高まり、その代替手段が求められています。また、医薬や食品などの業界で、新製品開発の費用の高騰や期間の長期化も進んでおり、代替手段の開発が一層喫緊の課題となっています。

  • ※アニマルウェルフェア（Animal welfare）：動物を倫理的に扱い、その健康と福祉を守り、痛みやストレス、苦痛を最小限に抑えるという考え方。

動物実験に替わる技術のニーズに対応するため、ヒトiPS細胞を含む多能性幹細胞から培養したさまざまな臓器細胞を新薬の研究開発に使用する試みが進んでいます。その中でも、立体的な形状でヒトの臓器と似た機能を持つ「オルガノイド」と呼ばれるミニチュア臓器が注目されており、さまざまな研究機関で開発が進められています。

とりわけ、ヒトの臓器の中でも複雑な構造・機能を持つ腸管のオルガノイドとして注目を集めているのが、DNPと国立成育医療研究センターが共同開発した「ミニ腸」です。2021年12月に試験販売を開始して、現在、製品化の動きを加速しています。

左：ミニ腸の位相差顕微鏡像、中央：同ミニ腸の蛍光顕微鏡像（蛍光標識した栄養成分が緑に発色）、右：2つの顕微鏡像の重ね合わせ

ミニ腸の作製を支えるDNPの、ポリマー薄膜への微細加工技術

写真のミニ腸の大きさは1.5mmほどですが、1cm程度のものまで作ることが可能です。これはこれまで確立された腸オルガノイドと比較して大きく、かつ、ミニ腸は表裏が逆で栄養を吸収する腸上皮細胞が外側に露出しており、吸収効果を測定しやすくなっています。

吸収に関わる腸上皮細胞の層以外にも、ミニ腸には平滑筋細胞、腸管神経など粘膜下組織の細胞が存在し、ヒトの腸管そのものに近い組織構造が立体的に再現されています。このようなミニ腸固有の特長があるため、幅広い研究に活用できます。

ミニ腸の断面図のイラスト

ミニ腸はパターン培養基材にiPS細胞※を播種しておおよそ30日間培養すると、球状の3D細胞培養物として基板から自然に剥がれます。その後も培養を30日ほど継続することで、ミニ腸が完成します。

  • ※iPS細胞：さまざまな組織や臓器の細胞に分化する多能性幹細胞のひとつ。胚盤胞から細胞を取り出すES細胞と異なり、皮膚や血液など採取しやすい体細胞で作れる点が特長。

ミニ腸の作製工程

ここで重要なのは、単なる基材にiPS細胞を培養するだけでは、ミニ腸が生成されないという点です。複雑な構造・機能を有する腸管を再現するには、最適な形状で細胞を培養するためのパターン基材が必要となります。iPS細胞の接着、分化という細胞の挙動をコントロールしているのが、DNPが培ってきた高度な微細加工技術や精密塗工技術等を応用・発展した、ポリマー薄膜※の微細加工技術です。

この技術は、細胞が接着しない高分子をコーティングし、任意のパターンに合わせて真空紫外（VUV）光※を照射することで、細胞が接着・成長する領域を形成するというものです。培養に最適な形状パターンを設計する独自のノウハウと、フォトリソグラフィー技術で培った微細加工技術の組み合わせが、DNPならではの強みです。

  • ※ポリマー薄膜：高分子（プラスチック、樹脂、ゴムなど）による1マイクロメートル（1000分の1mm）以下の薄膜であり、特殊な機能を持たせやすい材料。
  • ※真空紫外（Vacuum Ultra Violet, VUV）光：電磁波の1種で、紫外光の中で最も波長の短い10–200ナノメートル（1ナノメートルは100万分の1mm）付近の領域をさす。

品質と使いやすさを追究するDNPのこだわり

2022年4月、これまで知見がなかった、新型コロナウイルスのオミクロン株やデルタ株等の腸管における増殖度合いを測定する実験にミニ腸が採用※されるなど、2021年12月の試験販売開始以降は特に、ミニ腸の有用性に各方面から高い関心が寄せられています。

DNPはこうしたニーズに応え、確かな社会的価値を生み出すには、ミニチュア臓器としての品質向上に加え、利用者の“使いやすさ”を高める必要があると考えています。

例えば、生体組織由来のオルガノイドには凍結が難しいなどの特性があり、品質を保持したまま多くの研究機関に供給するには、専用の容器や輸送方法、受け渡しの仕組みを一から考え直す必要があります。また、機能性食品や医薬品等の開発プロセスに組み込むには、従来の動物実験や単体の細胞を使った実験との相関性を解明していくことが求められます。

ミニ腸の機能向上や品質安定化も大切なテーマですが、社会実装に向けたこうした課題の解決は、より難しい取り組みとも言えるでしょう。しかし同時に、食品や医薬系をはじめとする多彩な業界で、多くの企業のニーズに応えてきたDNPが真価を発揮できる分野でもあります。

DNPは、ミニ腸の５年以内の本格販売開始をめざして研究を進めています。

  • ※国立成育医療研究センター　プレスリリース
    新型コロナウイルスの増殖性を立体臓器｢ミニ腸｣で検証 〜デルタ株とオミクロン株の全く異なる特性を発見〜
    https://www.ncchd.go.jp/press/2022/0512.html

メディカル・ヘルスケア分野全体の底上げを図るDNPの挑戦

細胞を用いて臓器を模した立体構造を作ろうとする技術開発の進歩はめざましく、ミニ腸のようなオルガノイドは、今後数年で他の臓器にも広がっていく見込みです。特に創薬分野では脳や心臓、肺などのオルガノイドのニーズが高いと考えられるほか、それぞれの臓器を連動させて人体全体への影響を検証する手法の確立も見込まれています。

DNPは、2011年の設立時から「再生医療イノベーションフォーラム（FIRM）」に参加するなど、早くからメディカル・ヘルスケア分野の事業開発に取り組んでおり、引き続き多臓器オルガノイドの開発も視野に入れ、長期的な視点で研究を進めていきます。

2017年にミニ腸の開発成功を発表してから現在に至るまでの開発年表

DNPがミニ腸の作成に成功してから10年近くが経過しました。次の10年、ヒトiPS細胞由来の細胞、オルガノイド分野の最前線で得た知見などを活かして、メディカル・ヘルスケア分野全体で新たな事業開発に取り組んでいきます。10年後、どのようなイノベーションが形になっているか、DNPのさらなる挑戦にご期待ください。

  • ※記載された情報は更新日現在のものです。あらかじめご了承ください。
    更新日：2025年12月18日
    初回公開日：2022年8月8日