我々の研究グループでは、長期的な培養が可能で成熟度が高く、機能評価が可能なマウス骨格筋細胞のオルガノイド作成に成功しており、この骨格筋オルガノイドの培養中に生じる受動的張力を解放することで簡便に生体と類似した筋委縮誘導できる生体外モデルを開発している。この生体外デバイスを利用し、生体の筋萎縮を模倣することが可能であれば、筋萎縮を改善する創薬および高機能食品の開発が飛躍的に進展すると期待できる。
我々の研究グループは、近年、革新的な組織工学技術を利用して脱細胞化豚大動脈を人工腱とした分化熟度の高い三次元培養筋の作製に成功している（図１）。開発した三次元培養筋は、人工腱を両端に保持し、培養プラットフォーム上で自己組織化する。ピンセットなどで人工腱とともに簡便に取り外すことが可能なため、ソフトアクチュエータや外部装置による張力測定など応用面の汎用性が極めて高い。
骨格筋オルガノイドは両端の人工腱に接着しながら自己組織化するために、培養中に一定の受動的張力（〜1mN)を保持しながら分化成熟する。人工腱は着脱が可能なために、一方の人工腱を外すことで保持されている受動的張力が解放されて培養ができる（図２）。培養筋は形態的に萎縮することが確認されている。
骨格筋オルガノイドは、カスタムメイドの収縮力測定装置に装着し、印加された電気パルスに応答し、等尺性収縮力を発揮し、評価が可能である（図３）。脱腱後、等尺性収縮力を評価すると通常の人工腱装着培養と比較して収縮力の低下が観察され、機能的に生体の筋委縮状態と類似していることが明らかとなっている。
骨格筋オルガノイドは、取り外しが可能なために、そのまま、生化学的な評価を行うことが可能である。筋特異的な収縮タンパク質であるミオシンの遺伝子およびタンパク質発現量を評価すると、脱腱後には人工腱を保持している培養筋と比較して低い発現量を示すことが明らかとなっている（図４）。
筋萎縮のモデル等への対応ができれば、ALSをはじめとする効果的な薬がない難病の神経筋疾患の基礎研究・薬剤試験の際に、神経筋組織の変性や薬効による変化などを観察できるようになり、様々な疾患に対する研究が発展する。さらに、これまで動物試験でしか行えなかった実験系が試験管内で行えることは、費用対効果も改善され、時間的・経済的な問題も解決することが期待できる。
論文
「Hypoxia transactivates cholecystokinin gene expression in 3D-engineered muscle」(2021)『J. Biosci. Bioeng.』132(1)p.64-70.
「Effect of heat stress on contractility of tissue-engineered artificial skeletal muscle.」(2018)『J. Artif. Organs.』21(2)p.207-214.
「Development and evaluation of a removable tissue-engineered muscle with artificial tendons.」(2017)『J. Biosci. Bioeng.』123(2)p.265-271.
研究シーズ・教員に対しての問合せや相談事項はこちら
技術相談申込フォーム© INNOVATION DAYS 2021 智と技術の見本市.
