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「オルガノイド」の版間の差分

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== 歴史 ==
== 歴史 ==
臓器を''in vitro''でつくるという試みのはじまりは、ヘンリー・ヴァン・ピーターズ・ウィルソンによる。ウィルソンは、機械的に[[海綿動物]]を細胞までばらばらに解離し、その細胞が再集合し、自己組織化して生物全体を生成できることを実証した。これは最初の解離 - 再構成実験であった<ref name="Lancaster, M. A. 2014">{{cite journal|author=Lancaster, M. A.; Knoblich, J. A. |year=2014|title= Organogenesis in a dish: Modeling development and disease using organoid technologies|journal= [[Science]]|volume= 345|issue=6194|pages= 1247125-1247125|doi=10.1126/science.1247125}}</ref><ref>{{cite journal|author=H. V. Wilson|title= A new method by which sponges may be artificially reared|journal= Science|volume= 25|pages= 912–915 |year=1907|doi= 10.1126/science.25.649.912|pmid=17842577}}</ref>。その後数十年に渡り、複数の研究室が、両生類や鳥類の雛から得られた臓器組織を用い、異なる種類の臓器を''in vitro''で解離させ再集合させることができた<ref name="Lancaster, M. A. 2014"/><ref>{{cite journal|author=J Holtfreter|title= Experimental studies on the developmental of the pronephros|journal= Rev. Can. Biol.|volume= 3 |year=1944|pages=220–250}}</ref><ref>{{cite journal|author=P. Weiss, A. C. Taylor|title= Reconstitution of complete organs from single-cell suspensions of chick embryos in advanced stages of differentiation|journal= [[米国科学アカデミー紀要|Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.]]|volume= 46|pages= 1177–1185|year=1960|doi= 10.1073/pnas.46.9.1177|pmid=16590731}}</ref>。機械的にばらばらにされた細胞が集まって組織を再形成するために組織を再構成する現象は、後にMalcolm Steinbergによる{{仮リンク|差次接着仮説|en|Differential adhesion hypothesis}}の提唱につながった<ref name="Lancaster, M. A. 2014"/>。幹細胞生物学分野の到来と共に、''in vitro''で器官を形成するという幹細胞の能力は初期に認識された。これは、幹細胞が[[奇形腫]]または{{仮リンク|胚様体|en|Embryoid body}}を形成するとき、分化した細胞が複数の組織で見られるような異なる構造に組織化できるという観察による<ref name="Lancaster, M. A. 2014"/>。それまで幹細胞は平面の培地で培養や分化がなされていたが、立体的な培地での培養や、臓器の複雑な三次元構造の形成が可能になり、オルガノイドの研究分野がはじまった<ref name="Lancaster, M. A. 2014"/>。研究者たちは1987年以来、3次元培養のためのさまざまな方法を考案し、さまざまな種類の幹細胞を利用し、多数の臓器に似たオルガノイドができた。2008年、[[理化学研究所]]の[[笹井芳樹]]らのチームは、幹細胞が自ら組織化し、神経細胞の球に分化し、その球には層も観察できることを、実証した<ref>{{Cite web|url=http://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/37262/title/Lab-Grown-Model-Brains/|title=Lab-Grown Model Brains|accessdate=26 December 2013|authorlink=Ed Yong|date=August 28, 2013|work=[[The Scientist]]}}</ref> 。2009年には、オランダのHubrecht InstituteとUniversity Medical Center、[[ハンス・クレヴァース]]研究所が、単一のLGR5幹細胞が間葉系ニッチを伴わずに''in vitro''で陰窩-絨毛構造を構築することを示した<ref name="pmid19329995">{{Cite journal|author=Sato T, Vries RG, Snippert HJ, van de Wetering M, Barker N, Stange DE, van Es JH, Abo A, Kujala P, Peters PJ, Clevers H.|year=2009|title=Single Lgr5 stem cells build cryptvillus structures in vitro without a mesenchymal niche|journal=Nature|volume=459|issue=7244|pages=262–265||DOI=10.1038/nature07935|PMID=19329995}}</ref>。2010年に、Mathieu UnbekandtとJamie A. Daviesは、マウス胎児由来の再生幹細胞からの腎臓オルガノイドの作成を実証した。その後、これらのオルガノイドの''in vitro''および生体内（''[[in vivo]]''）で生理学的機能を示したと報告されている<ref name="Unbekandt ">{{Cite journal|author=Unbekandt M, Davies JA|year=2010|title=Dissociation of embryonic kidneys followed by reaggregation allows the formation of renal tissues|journal=Kidney Int.|volume=77|issue=5|pages=407–416|DOI=10.1038/ki.2009.482|pmid= 20016472}}</ref><ref>{{Cite journal|author=Lawrence ML, Chang CH, Davies JA|year=2015|title=Transport of organic anions and cations in murine embryonic kidney development and in serially-reaggregated engineered kidneys|journal=Scientific Reports|volume=77|issue=5|pages=9092-9092|DOI=10.1038/srep09092|PMID=25766625|PMC=4357899}}</ref><ref>{{Cite journal|author=Xinaris C, Benedetti V, Rizzo P, Abbate M, Corna D, Azzollini N, Conti S, Unbekandt M, Davies JA, Morigi M, Benigni A, Remuzzi G|year=2012|title=In vivo maturation of functional renal organoids formed from embryonic cell suspensions|journal=J. Am. Soc. Neprhol.|volume=23|issue=11|pages=1857–1868|DOI=10.1681/ASN.2012050505|PMID=23085631|PMC=3482737}}</ref>。
臓器を''in vitro''でつくるという試みのはじまりは、ヘンリー・ヴァン・ピーターズ・ウィルソンによる。ウィルソンは、機械的に[[海綿動物]]を細胞までばらばらに解離し、その細胞が再集合し、自己組織化して生物全体を生成できることを実証した。これは最初の解離 - 再構成実験であった<ref name="Lancaster, M. A. 2014">{{cite journal|author=Lancaster, M. A.; Knoblich, J. A. |year=2014|title= Organogenesis in a dish: Modeling development and disease using organoid technologies|journal= [[Science]]|volume= 345|issue=6194|pages= 1247125-1247125|doi=10.1126/science.1247125}}</ref><ref>{{cite journal|author=H. V. Wilson|title= A new method by which sponges may be artificially reared|journal= Science|volume= 25|pages= 912–915 |year=1907|doi= 10.1126/science.25.649.912|pmid=17842577}}</ref>。その後数十年に渡り、複数の研究室が、両生類や鳥類の雛から得られた臓器組織を用い、異なる種類の臓器を''in vitro''で解離させ再集合させることができた<ref name="Lancaster, M. A. 2014"/><ref>{{cite journal|author=J Holtfreter|title= Experimental studies on the developmental of the pronephros|journal= Rev. Can. Biol.|volume= 3 |year=1944|pages=220–250}}</ref><ref>{{cite journal|author=P. Weiss, A. C. Taylor|title= Reconstitution of complete organs from single-cell suspensions of chick embryos in advanced stages of differentiation|journal= [[米国科学アカデミー紀要|Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.]]|volume= 46|pages= 1177–1185|year=1960|doi= 10.1073/pnas.46.9.1177|pmid=16590731}}</ref>。機械的にばらばらにされた細胞が集まって組織を再形成するために組織を再構成する現象は、後にMalcolm Steinbergによる{{仮リンク|差次接着仮説|en|Differential adhesion hypothesis}}の提唱につながった<ref name="Lancaster, M. A. 2014"/>。幹細胞生物学分野の到来と共に、''in vitro''で器官を形成するという幹細胞の能力は初期に認識された。これは、幹細胞が[[奇形腫]]または{{仮リンク|胚様体|en|Embryoid body}}を形成するとき、分化した細胞が複数の組織で見られるような異なる構造に組織化できるという観察による<ref name="Lancaster, M. A. 2014"/>。それまで幹細胞は平面の培地で培養や分化がなされていたが、立体的な培地での培養や、臓器の複雑な三次元構造の形成が可能になり、オルガノイドの研究分野がはじまった<ref name="Lancaster, M. A. 2014"/>。研究者たちは1987年以来、3次元培養のためのさまざまな方法を考案し、さまざまな種類の幹細胞を利用し、多数の臓器に似たオルガノイドができた。2008年、[[理化学研究所]]の[[笹井芳樹]]らのチームは、幹細胞が自ら組織化し、神経細胞の球に分化し、その球には層も観察できることを、実証した<ref>{{Cite web|url=http://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/37262/title/Lab-Grown-Model-Brains/|title=Lab-Grown Model Brains|accessdate=26 December 2013|authorlink=Ed Yong|date=August 28, 2013|work=[[The Scientist]]}}</ref> 。2009年には、オランダのHubrecht InstituteとUniversity Medical Center、[[ハンス・クレヴァース]]研究所が、単一のLGR5幹細胞が間葉系ニッチを伴わずに''in vitro''で陰窩-絨毛構造を構築することを示した<ref name="pmid19329995">{{Cite journal|author=Sato T, Vries RG, Snippert HJ, van de Wetering M, Barker N, Stange DE, van Es JH, Abo A, Kujala P, Peters PJ, Clevers H.|year=2009|title=Single Lgr5 stem cells build cryptvillus structures in vitro without a mesenchymal niche|journal=Nature|volume=459|issue=7244|pages=262–265||doi=10.1038/nature07935|pmid=19329995}}</ref>。2010年に、Mathieu UnbekandtとJamie A. Daviesは、マウス胎児由来の再生幹細胞からの腎臓オルガノイドの作成を実証した。その後、これらのオルガノイドの''in vitro''および生体内（''[[in vivo]]''）で生理学的機能を示したと報告されている<ref name="Unbekandt ">{{Cite journal|author=Unbekandt M, Davies JA|year=2010|title=Dissociation of embryonic kidneys followed by reaggregation allows the formation of renal tissues|journal=Kidney Int.|volume=77|issue=5|pages=407–416|doi=10.1038/ki.2009.482|pmid= 20016472}}</ref><ref>{{Cite journal|author=Lawrence ML, Chang CH, Davies JA|year=2015|title=Transport of organic anions and cations in murine embryonic kidney development and in serially-reaggregated engineered kidneys|journal=Scientific Reports|volume=77|issue=5|pages=9092-9092|doi=10.1038/srep09092|pmid=25766625|pmc=4357899}}</ref><ref>{{Cite journal|author=Xinaris C, Benedetti V, Rizzo P, Abbate M, Corna D, Azzollini N, Conti S, Unbekandt M, Davies JA, Morigi M, Benigni A, Remuzzi G|year=2012|title=In vivo maturation of functional renal organoids formed from embryonic cell suspensions|journal=J. Am. Soc. Neprhol.|volume=23|issue=11|pages=1857–1868|doi=10.1681/ASN.2012050505|pmid=23085631|pmc=3482737}}</ref>。


オーストリア科学アカデミーのマデリーン・ランカスター（Madeline Lancaster）は、2013年にヒトの脳の細胞組織の形成を模倣した幹細胞由来の大脳オルガノイドを培養するためのプロトコールを確立した<ref>{{Cite journal|author=Chambers SM, Tchieu J, Studer L.|date=October 2013|title=Build-a-Brain|journal=Cell Stem Cell|volume=13|issue=4|pages=377–8|DOI=10.1016/j.stem.2013.09.010|PMID=24094317}}</ref>。
オーストリア科学アカデミーのマデリーン・ランカスター（Madeline Lancaster）は、2013年にヒトの脳の細胞組織の形成を模倣した幹細胞由来の大脳オルガノイドを培養するためのプロトコールを確立した<ref>{{Cite journal|author=Chambers SM, Tchieu J, Studer L.|date=October 2013|title=Build-a-Brain|journal=Cell Stem Cell|volume=13|issue=4|pages=377–8|doi=10.1016/j.stem.2013.09.010|pmid=24094317}}</ref>。


2014年、 イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校のArtem Shkumatov等は、ES細胞が接着する基質の固さを調節することによって、心臓の血管のオルガノイドが形成されることを示した。生理的固さは、EBの三次元構造構築と心筋への分化を促進した<ref name="pmid24732893">{{Cite journal|author=Shkumatov, A; Baek, K; Kong, H |year=2014|title=Matrix Rigidity-Modulated Cardiovascular Organoid Formation from Embryoid Bodies|journal=PLoS ONE|volume=9|issue=4|pages=e94764|DOI=10.1371/journal.pone.0094764|PMID=24732893|PMC=3986240}}</ref>。
2014年、 イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校のArtem Shkumatov等は、ES細胞が接着する基質の固さを調節することによって、心臓の血管のオルガノイドが形成されることを示した。生理的固さは、EBの三次元構造構築と心筋への分化を促進した<ref name="pmid24732893">{{Cite journal|author=Shkumatov, A; Baek, K; Kong, H |year=2014|title=Matrix Rigidity-Modulated Cardiovascular Organoid Formation from Embryoid Bodies|journal=PLoS ONE|volume=9|issue=4|pages=e94764|doi=10.1371/journal.pone.0094764|pmid=24732893|pmc=3986240}}</ref>。


Takebeらは、多能性幹細胞由来の組織特異的前駆細胞または関連する組織サンプルを、内皮細胞および間充織幹細胞と組み合わせることにより、多様な組織からの器官芽（organ bud）形成の一般的な方法を実証した。彼らは、分化がより進んだものではなく、成熟していない組織や器官芽が、移植後の成熟した臓器の機能形成に効果的であることを示した<ref>{{Cite journal|author=Takebe T, Enomura M, Yoshizawa E, Kimura M, Koike H, Ueno Y, Matsuzaki T, Yamazaki T, Toyohara T, Osafune K, Nakauchi H, Yoshikawa HY, Taniguchi H|year=2015|title=Vascularized and Complex Organ Buds from Diverse Tissues via Mesenchymal Cell-Driven Condensation|journal=Cell Stem Cell|volume=16|issue=5|pages=556–565|DOI=10.1016/j.stem.2015.03.004|pmid= 25891906}}</ref>。
Takebeらは、多能性幹細胞由来の組織特異的前駆細胞または関連する組織サンプルを、内皮細胞および間充織幹細胞と組み合わせることにより、多様な組織からの器官芽（organ bud）形成の一般的な方法を実証した。彼らは、分化がより進んだものではなく、成熟していない組織や器官芽が、移植後の成熟した臓器の機能形成に効果的であることを示した<ref>{{Cite journal|author=Takebe T, Enomura M, Yoshizawa E, Kimura M, Koike H, Ueno Y, Matsuzaki T, Yamazaki T, Toyohara T, Osafune K, Nakauchi H, Yoshikawa HY, Taniguchi H|year=2015|title=Vascularized and Complex Organ Buds from Diverse Tissues via Mesenchymal Cell-Driven Condensation|journal=Cell Stem Cell|volume=16|issue=5|pages=556–565|doi=10.1016/j.stem.2015.03.004|pmid= 25891906}}</ref>。


== 特性 ==
== 特性 ==
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== 工程 ==
== 工程 ==
オルガノイドは一般的に、立体的な培地中で、幹細胞または前駆細胞が培養され、形成される<ref name="Lancaster, M. A. 2014"/>。立体的な培地は、Engelbreth-Holm-Swarm腫瘍の細胞株によって分泌される[[ラミニン]]に富む細胞外マトリクスであるヒドロゲル・マトリゲル（hydrogel Matrigel）を使用して作製することができる<ref>{{cite journal|author=Li ML, Aggeler J, Farson DA, Hatier C, Hassell J, Bissell MJ|title=Influence of a reconstituted basement membrane and its components on casein gene expression and secretion in mouse mammary epithelial cells|journal= Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.|volume= 84|pages= 136–140 |year=1987|doI= 10.1073/ pnas.84.1.136|pmid=3467345|pmc=PMC304157}}</ref>。オルガノイドは、幹細胞を立体的な培地に包埋することによって作製することができる<ref name="Lancaster, M. A. 2014"/>。[[多能性幹細胞]]がオルガノイドの生成に使用される場合、細胞は通常は胚様体を形成することが可能である。これらの胚様体は、パターニング因子で薬理学的に処理され、望みのオルガノイドの形成を促進する<ref name="Lancaster, M. A. 2014"/>。オルガノイドはまた、標的器官から採取された成体の幹細胞を用いて作製され、3D培地で培養されている<ref name="Pastuła, A. 2016">{{cite journal|author=Pastuła A, Middelhoff M, Brandtner A, Tobiasch M, Höhl B, Nuber AH, Demir IE, Neupert S, Kollmann P, Mazzuoli-Weber G, Quante M|title=Three-Dimensional Gastrointestinal Organoid Culture in Combination with Nerves or Fibroblasts: A Method to Characterize the Gastrointestinal Stem Cell Niche|journal= Stem Cells Int.|year= 2016|volume=2016|pages=3710836|doi=10.1155/2016/3710836|pmid= 26697073|pmc=PMC4677245}}</ref>。
オルガノイドは一般的に、立体的な培地中で、幹細胞または前駆細胞が培養され、形成される<ref name="Lancaster, M. A. 2014"/>。立体的な培地は、Engelbreth-Holm-Swarm腫瘍の細胞株によって分泌される[[ラミニン]]に富む細胞外マトリクスであるヒドロゲル・マトリゲル（hydrogel Matrigel）を使用して作製することができる<ref>{{cite journal|author=Li ML, Aggeler J, Farson DA, Hatier C, Hassell J, Bissell MJ|title=Influence of a reconstituted basement membrane and its components on casein gene expression and secretion in mouse mammary epithelial cells|journal= Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.|volume= 84|pages= 136–140 |year=1987|doi= 10.1073/ pnas.84.1.136|pmid=3467345|pmc=PMC304157}}</ref>。オルガノイドは、幹細胞を立体的な培地に包埋することによって作製することができる<ref name="Lancaster, M. A. 2014"/>。[[多能性幹細胞]]がオルガノイドの生成に使用される場合、細胞は通常は胚様体を形成することが可能である。これらの胚様体は、パターニング因子で薬理学的に処理され、望みのオルガノイドの形成を促進する<ref name="Lancaster, M. A. 2014"/>。オルガノイドはまた、標的器官から採取された成体の幹細胞を用いて作製され、3D培地で培養されている<ref name="Pastuła, A. 2016">{{cite journal|author=Pastuła A, Middelhoff M, Brandtner A, Tobiasch M, Höhl B, Nuber AH, Demir IE, Neupert S, Kollmann P, Mazzuoli-Weber G, Quante M|title=Three-Dimensional Gastrointestinal Organoid Culture in Combination with Nerves or Fibroblasts: A Method to Characterize the Gastrointestinal Stem Cell Niche|journal= Stem Cells Int.|year= 2016|volume=2016|pages=3710836|doi=10.1155/2016/3710836|pmid= 26697073|pmc=PMC4677245}}</ref>。


== オルガノイドの種類 ==
== オルガノイドの種類 ==
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*小脳オルガノイド（Cerebellar organoid）<ref>{{Cite journal|last=Muguruma|first=Keiko|last2=Nishiyama|first2=Ayaka|last3=Kawakami|first3=Hideshi|last4=Hashimoto|first4=Kouichi|last5=Sasai|first5=Yoshiki|date=2015-02-03|title=Self-organization of polarized cerebellar tissue in 3D culture of human pluripotent stem cells|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25640179|journal=Cell Reports|volume=10|issue=4|pages=537–550|doi=10.1016/j.celrep.2014.12.051|issn=2211-1247|pmid=25640179}}</ref><ref>{{Cite journal|last=Muguruma|first=Keiko|date=2017|title=3D Culture for Self-Formation of the Cerebellum from Human Pluripotent Stem Cells Through Induction of the Isthmic Organizer|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28361308|journal=Methods in Molecular Biology (Clifton, N.J.)|volume=1597|pages=31–41|doi=10.1007/978-1-4939-6949-4_3|issn=1940-6029|pmid=28361308}}</ref>
*小脳オルガノイド（Cerebellar organoid）<ref>{{Cite journal|last=Muguruma|first=Keiko|last2=Nishiyama|first2=Ayaka|last3=Kawakami|first3=Hideshi|last4=Hashimoto|first4=Kouichi|last5=Sasai|first5=Yoshiki|date=2015-02-03|title=Self-organization of polarized cerebellar tissue in 3D culture of human pluripotent stem cells|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25640179|journal=Cell Reports|volume=10|issue=4|pages=537–550|doi=10.1016/j.celrep.2014.12.051|issn=2211-1247|pmid=25640179}}</ref><ref>{{Cite journal|last=Muguruma|first=Keiko|date=2017|title=3D Culture for Self-Formation of the Cerebellum from Human Pluripotent Stem Cells Through Induction of the Isthmic Organizer|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28361308|journal=Methods in Molecular Biology (Clifton, N.J.)|volume=1597|pages=31–41|doi=10.1007/978-1-4939-6949-4_3|issn=1940-6029|pmid=28361308}}</ref>
*内耳オルガノイド<ref>{{Cite journal|last=Koehler|first=Karl R.|last2=Mikosz|first2=Andrew M.|last3=Molosh|first3=Andrei I.|last4=Patel|first4=Dharmeshkumar|last5=Hashino|first5=Eri|date=2013-08-08|title=Generation of inner ear sensory epithelia from pluripotent stem cells in 3D culture|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23842490|journal=Nature|volume=500|issue=7461|pages=217–221|doi=10.1038/nature12298|issn=1476-4687|pmid=23842490|pmc=PMC3739998}}</ref><ref>{{Cite journal|last=Koehler|first=Karl R.|last2=Nie|first2=Jing|last3=Longworth-Mills|first3=Emma|last4=Liu|first4=Xiao-Ping|last5=Lee|first5=Jiyoon|last6=Holt|first6=Jeffrey R.|last7=Hashino|first7=Eri|date=06 2017|title=Generation of inner ear organoids containing functional hair cells from human pluripotent stem cells|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28459451|journal=Nature Biotechnology|volume=35|issue=6|pages=583–589|doi=10.1038/nbt.3840|issn=1546-1696|pmid=28459451|pmc=PMC5462862}}</ref>
*内耳オルガノイド<ref>{{Cite journal|last=Koehler|first=Karl R.|last2=Mikosz|first2=Andrew M.|last3=Molosh|first3=Andrei I.|last4=Patel|first4=Dharmeshkumar|last5=Hashino|first5=Eri|date=2013-08-08|title=Generation of inner ear sensory epithelia from pluripotent stem cells in 3D culture|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23842490|journal=Nature|volume=500|issue=7461|pages=217–221|doi=10.1038/nature12298|issn=1476-4687|pmid=23842490|pmc=PMC3739998}}</ref><ref>{{Cite journal|last=Koehler|first=Karl R.|last2=Nie|first2=Jing|last3=Longworth-Mills|first3=Emma|last4=Liu|first4=Xiao-Ping|last5=Lee|first5=Jiyoon|last6=Holt|first6=Jeffrey R.|last7=Hashino|first7=Eri|date=06 2017|title=Generation of inner ear organoids containing functional hair cells from human pluripotent stem cells|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28459451|journal=Nature Biotechnology|volume=35|issue=6|pages=583–589|doi=10.1038/nbt.3840|issn=1546-1696|pmid=28459451|pmc=PMC5462862}}</ref>
* 甲状腺オルガノイド<ref name="pmid10614741">{{Cite journal|author=Martin A, Barbesino G, Davies TF|year=1999|title=T-Cell Receptors and Autoimmune Thyroid Disease—Signposts for T-Cell-Antigen Driven Diseases|journal=International Reviews of Immunology|volume=18|issue=1–2|pages=111–40|DOI=10.3109/08830189909043021|PMID=10614741}}</ref>
* 甲状腺オルガノイド<ref name="pmid10614741">{{Cite journal|author=Martin A, Barbesino G, Davies TF|year=1999|title=T-Cell Receptors and Autoimmune Thyroid Disease—Signposts for T-Cell-Antigen Driven Diseases|journal=International Reviews of Immunology|volume=18|issue=1–2|pages=111–40|doi=10.3109/08830189909043021|pmid=10614741}}</ref>
* 胸腺オルガノイド<ref>{{Cite journal|author=Bredenkamp N, Ulyanchenko S, O'Neill KE, Manley NR, Vaidya HJ, Blackburn CC|title=An organized and functional thymus generated from FOXN1-reprogrammed fibroblasts|url=http://www.nature.com/doifinder/10.1038/ncb3023|journal=Nature Cell Biology|volume=16|issue=9|pages=902–908|DOI=10.1038/ncb3023|PMID=25150981|PMC=4153409}}</ref>
* 胸腺オルガノイド<ref>{{Cite journal|author=Bredenkamp N, Ulyanchenko S, O'Neill KE, Manley NR, Vaidya HJ, Blackburn CC|title=An organized and functional thymus generated from FOXN1-reprogrammed fibroblasts|url=http://www.nature.com/doifinder/10.1038/ncb3023|journal=Nature Cell Biology|volume=16|issue=9|pages=902–908|doi=10.1038/ncb3023|pmid=25150981|pmc=4153409}}</ref>
**胸腺オルガノイドは、T細胞が成熟するリンパ器官である胸腺の構造、機能を部分的に再現する<ref name="vianello">{{cite journal|author=Vianello, F.; Poznansky, M. C.|journal=Methods Mol. Biol.|year= 2007|volume=380|pages=163-170|title=Generation of a tissue-engineered thymic organoid|pmid= 17876092|doI=10.1007/978-1-59745-395-0_9}}</ref>。胸腺オルガノイドは、3次元的に胸腺間質細胞を培養し、生成された<ref name="vianello"/>。胸腺オルガノイドは、ヒト造血幹細胞または骨髄幹細胞とマウス胸腺オルガノイドを共培養すると、T細胞の産生を引き起こすので、胸腺の機能をうまく再現するようである<ref name="vianello"/> 。
**胸腺オルガノイドは、T細胞が成熟するリンパ器官である胸腺の構造、機能を部分的に再現する<ref name="vianello">{{cite journal|author=Vianello, F.; Poznansky, M. C.|journal=Methods Mol. Biol.|year= 2007|volume=380|pages=163-170|title=Generation of a tissue-engineered thymic organoid|pmid= 17876092|doi=10.1007/978-1-59745-395-0_9}}</ref>。胸腺オルガノイドは、3次元的に胸腺間質細胞を培養し、生成された<ref name="vianello"/>。胸腺オルガノイドは、ヒト造血幹細胞または骨髄幹細胞とマウス胸腺オルガノイドを共培養すると、T細胞の産生を引き起こすので、胸腺の機能をうまく再現するようである<ref name="vianello"/> 。
* 精巣オルガノイド
* 精巣オルガノイド
* 肝臓オルガノイド<ref name="pmid25533785">{{Cite journal|author=Huch M. ''et al.''|year=2015|title=Long-Term Culture of Genome-Stable Bipotent Stem Cells from Adult Human Liver|journal=Cell|volume=160|issue=1–2|pages=299–312|DOI=10.1016/j.cell.2014.11.050|PMID=25533785|PMC=4313365}}</ref>
* 肝臓オルガノイド<ref name="pmid25533785">{{Cite journal|author=Huch M. ''et al.''|year=2015|title=Long-Term Culture of Genome-Stable Bipotent Stem Cells from Adult Human Liver|journal=Cell|volume=160|issue=1–2|pages=299–312|doi=10.1016/j.cell.2014.11.050|pmid=25533785|pmc=4313365}}</ref>
* 膵臓オルガノイド<ref name="pmid24045232">{{Cite journal|author=Huch M. ''et al.''|year=2013|title=Unlimited in vitro expansion of adult bi-potent pancreas progenitors through the Lgr5/R-spondin axis|journal=The EMBO Journal|volume=32|issue=20|pages=2708–2721|DOI=10.1038/emboj.2013.204|PMID=24045232|PMC=3801438}}</ref>
* 膵臓オルガノイド<ref name="pmid24045232">{{Cite journal|author=Huch M. ''et al.''|year=2013|title=Unlimited in vitro expansion of adult bi-potent pancreas progenitors through the Lgr5/R-spondin axis|journal=The EMBO Journal|volume=32|issue=20|pages=2708–2721|doi=10.1038/emboj.2013.204|pmid=24045232|pmc=3801438}}</ref>
* 腸オルガノイド（Gut Organoid）
* 腸オルガノイド（Gut Organoid）
** 腸オルガノイドは、胃腸管の構造を再現するオルガノイドを指す。胃腸管は、内胚葉から発生し、発達中に3つの異なる領域に分けられ、他の器官とともに、胃腸管の以下の部分を生じる<ref name="Lancaster, M. A. 2014"/>。2017年には、ヒト多能性肝細胞から高次機能を有したミニ腸の作成に成功している<ref>Hajime U, et al. A xenogeneic-free system generating functional human gut organoids from pluripotent stem cells. JCI Insight. 2017 Jan 12;2(1):e86492. doi: 10.1172/jci.insight.86492.</ref>。
** 腸オルガノイドは、胃腸管の構造を再現するオルガノイドを指す。胃腸管は、内胚葉から発生し、発達中に3つの異なる領域に分けられ、他の器官とともに、胃腸管の以下の部分を生じる<ref name="Lancaster, M. A. 2014"/>。2017年には、ヒト多能性肝細胞から高次機能を有したミニ腸の作成に成功している<ref>Hajime U, et al. A xenogeneic-free system generating functional human gut organoids from pluripotent stem cells. JCI Insight. 2017 Jan 12;2(1):e86492. doi: 10.1172/jci.insight.86492.</ref>。
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**# Midgutは、小腸および上行結腸になる
**# Midgutは、小腸および上行結腸になる
**# Hindgutは、直腸と結腸の残りの部分になる
**# Hindgutは、直腸と結腸の残りの部分になる
* 上皮オルガノイド<ref name="pmid19329995"/><ref name="pmid17934449">{{Cite journal|author=Barker N, van Es JH, Kuipers J, Kujala P, van den Born M, Cozijnsen M, Haegebarth A, Korving J, Begthel H, Peters PJ, Clevers H|year=2007|title=Identification of stem cells in small intestine and colon by marker gene Lgr5|journal=Nature|volume=449|issue=7165|pages=1003–1007|DOI=10.1038/nature06196|PMID=17934449}}</ref>
* 上皮オルガノイド<ref name="pmid19329995"/><ref name="pmid17934449">{{Cite journal|author=Barker N, van Es JH, Kuipers J, Kujala P, van den Born M, Cozijnsen M, Haegebarth A, Korving J, Begthel H, Peters PJ, Clevers H|year=2007|title=Identification of stem cells in small intestine and colon by marker gene Lgr5|journal=Nature|volume=449|issue=7165|pages=1003–1007|doi=10.1038/nature06196|pmid=17934449}}</ref>
* 肺オルガノイド<ref>{{Cite journal|author=Lee JH, Bhang DH, Beede A, Huang TL, Stripp BR, Bloch KD, Wagers AJ, Tseng YH, Ryeom S, Kim CF|title=Lung Stem Cell Differentiation in Mice Directed by Endothelial Cells via a BMP4-NFATc1-Thrombospondin-1 Axis|journal=Cell|volume=156|issue=3|pages=440–455|DOI=10.1016/j.cell.2013.12.039|ISSN=0092-8674|PMID=24485453|PMC=3951122}}</ref>
* 肺オルガノイド<ref>{{Cite journal|author=Lee JH, Bhang DH, Beede A, Huang TL, Stripp BR, Bloch KD, Wagers AJ, Tseng YH, Ryeom S, Kim CF|title=Lung Stem Cell Differentiation in Mice Directed by Endothelial Cells via a BMP4-NFATc1-Thrombospondin-1 Axis|journal=Cell|volume=156|issue=3|pages=440–455|doi=10.1016/j.cell.2013.12.039|issn=0092-8674|pmid=24485453|pmc=3951122}}</ref>
* 腎臓オルガノイド（= renal organoid）<ref name="Unbekandt "/><ref>{{Cite journal|author=Takasato M2, Er PX, Chiu HS, Maier B, Baillie GJ, Ferguson C, Parton RG, Wolvetang EJ, Roost MS, Chuva de Sousa Lopes SM, Little MH|title=Kidney organoids from human iPS cells contain multiple lineages and model human nephrogenesis|journal=Nature|volume=526|issue=7574|pages=564–568|DOI=10.1038/nature15695|pmid= 26444236}}</ref><ref name="FreedmanBrooks2015">{{cite journal|last1=Freedman|first1=B. S.|last2=Brooks|first2=C. R.|last3=Lam|first3=A. Q.|last4=Fu|first4=H.|last5=Morizane|first5=R.|last6=Agrawal|first6=V.|last7=Saad|first7=A. F.|last8=Li|first8=M. K.|last9=Hughes|first9=M. R.|last10=Vander Werff|first10=R.|last11=Peters|first11=D. T.|last12=Lu|first12=J.|last13=Baccei|first13=A.|last14=Siedlecki|first14=A. M.|last15=Valerius|first15=M. T.|last16=Musunuru|first16=K.|last17=McNagny|first17=K. M.|last18=Steinman|first18=T. I.|last19=Zhou|first19=J.|last20=Lerou|first20=P. H.|last21=Bonventre|first21=J. V.|title=Modelling kidney disease with CRISPR-mutant kidney organoids derived from human pluripotent epiblast spheroids|journal=Nat. Commun.|volume=6|year=2015|pages=8715||doi=10.1038/ncomms9715||pmid=26493500|pmc=PMC4620584}}</ref><ref name="MorizaneLam2015">{{cite journal|last1=Morizane|first1=R.|last2=Lam|first2=A. Q|last3=Freedman|first3=B. S|last4=Kishi|first4=S.|last5=Valerius|first5=M T.|last6=Bonventre|first6=J. V.|title=Nephron organoids derived from human pluripotent stem cells model kidney development and injury|journal=Nature Biotechnology|volume=33|issue=11|year=2015|pages=1193–1200|doi=10.1038/nbt.3392|pmid= 26458176|pmc=PMC4747858 }}</ref>
* 腎臓オルガノイド（= renal organoid）<ref name="Unbekandt "/><ref>{{Cite journal|author=Takasato M2, Er PX, Chiu HS, Maier B, Baillie GJ, Ferguson C, Parton RG, Wolvetang EJ, Roost MS, Chuva de Sousa Lopes SM, Little MH|title=Kidney organoids from human iPS cells contain multiple lineages and model human nephrogenesis|journal=Nature|volume=526|issue=7574|pages=564–568|doi=10.1038/nature15695|pmid= 26444236}}</ref><ref name="FreedmanBrooks2015">{{cite journal|last1=Freedman|first1=B. S.|last2=Brooks|first2=C. R.|last3=Lam|first3=A. Q.|last4=Fu|first4=H.|last5=Morizane|first5=R.|last6=Agrawal|first6=V.|last7=Saad|first7=A. F.|last8=Li|first8=M. K.|last9=Hughes|first9=M. R.|last10=Vander Werff|first10=R.|last11=Peters|first11=D. T.|last12=Lu|first12=J.|last13=Baccei|first13=A.|last14=Siedlecki|first14=A. M.|last15=Valerius|first15=M. T.|last16=Musunuru|first16=K.|last17=McNagny|first17=K. M.|last18=Steinman|first18=T. I.|last19=Zhou|first19=J.|last20=Lerou|first20=P. H.|last21=Bonventre|first21=J. V.|title=Modelling kidney disease with CRISPR-mutant kidney organoids derived from human pluripotent epiblast spheroids|journal=Nat. Commun.|volume=6|year=2015|pages=8715||doi=10.1038/ncomms9715||pmid=26493500|pmc=PMC4620584}}</ref><ref name="MorizaneLam2015">{{cite journal|last1=Morizane|first1=R.|last2=Lam|first2=A. Q|last3=Freedman|first3=B. S|last4=Kishi|first4=S.|last5=Valerius|first5=M T.|last6=Bonventre|first6=J. V.|title=Nephron organoids derived from human pluripotent stem cells model kidney development and injury|journal=Nature Biotechnology|volume=33|issue=11|year=2015|pages=1193–1200|doi=10.1038/nbt.3392|pmid= 26458176|pmc=PMC4747858 }}</ref>
* 胚（胃腺''Gastruloids''）<ref>{{Cite journal|author=van den Brink SC, Baillie-Johnson P, Balayo T, Hadjantonakis AK, Nowotschin S, Turner DA, Martinez Arias A|date=2014|title=Symmetry breaking, germ layer specification and axial organisation in aggregates of mouse embryonic stem cells|journal=Development (Cambridge, England)|volume=141|issue=22|pages=4231–4242|DOI=10.1242/dev.113001|PMID=25371360|PMC=4302915}}</ref><ref>{{Cite journal|author=Turner DA, Baillie-Johnson P, Martinez Arias A|date=2016|title=Organoids and the genetically encoded self-assembly of embryonic stem cells|journal=BioEssays|volume=38|issue=2|pages=181–191|DOI=10.1002/bies.201500111|PMID=26666846|PMC=PMC4737349 }}</ref>
* 胚（胃腺''Gastruloids''）<ref>{{Cite journal|author=van den Brink SC, Baillie-Johnson P, Balayo T, Hadjantonakis AK, Nowotschin S, Turner DA, Martinez Arias A|date=2014|title=Symmetry breaking, germ layer specification and axial organisation in aggregates of mouse embryonic stem cells|journal=Development (Cambridge, England)|volume=141|issue=22|pages=4231–4242|doi=10.1242/dev.113001|pmid=25371360|pmc=4302915}}</ref><ref>{{Cite journal|author=Turner DA, Baillie-Johnson P, Martinez Arias A|date=2016|title=Organoids and the genetically encoded self-assembly of embryonic stem cells|journal=BioEssays|volume=38|issue=2|pages=181–191|doi=10.1002/bies.201500111|pmid=26666846|pmc=PMC4737349 }}</ref>


== オルガノイドを用いた基礎研究 ==
== オルガノイドを用いた基礎研究 ==
オルガノイドは、生物学の基礎研究をサポートするツールとなる。オルガノイドは、臓器内での細胞の相互作用、体内環境との相互作用、その臓器での疾患、薬物の効果の研究に役立つ。試験管内での培養は、扱いやすく、観察も容易である。実際の臓器は栄養素の問題で、培養は困難であるが、オルガノイドは大きさが小さいため、培養も可能である。一方、それらは臓器の特徴すべてを示すわけではなく、他の臓器との相互作用は''in vitro''ではわからない。
オルガノイドは、生物学の基礎研究をサポートするツールとなる。オルガノイドは、臓器内での細胞の相互作用、体内環境との相互作用、その臓器での疾患、薬物の効果の研究に役立つ。試験管内での培養は、扱いやすく、観察も容易である。実際の臓器は栄養素の問題で、培養は困難であるが、オルガノイドは大きさが小さいため、培養も可能である。一方、それらは臓器の特徴すべてを示すわけではなく、他の臓器との相互作用は''in vitro''ではわからない。


腸オルガノイドを用いて、幹細胞の研究がされてきたが<ref name="pmid19329995"/>、栄養の取り込み、薬物輸送、およびインクレチンホルモンの分泌の研究にも用いられている<ref>{{Cite journal|author=Zietek T, Rath E, Haller D, Daniel H|title=Intestinal organoids for assessing nutrient transport, sensing and incretin secretion|journal=Sci. Rep.|volume=5|DOI=10.1038/srep16831|PMID=26582215|PMC=PMC4652176}}</ref>。これは、吸収不良疾患、ならびに肥満、インスリン抵抗性、および糖尿病などの代謝性疾患の研究において非常に重要である。
腸オルガノイドを用いて、幹細胞の研究がされてきたが<ref name="pmid19329995"/>、栄養の取り込み、薬物輸送、およびインクレチンホルモンの分泌の研究にも用いられている<ref>{{Cite journal|author=Zietek T, Rath E, Haller D, Daniel H|title=Intestinal organoids for assessing nutrient transport, sensing and incretin secretion|journal=Sci. Rep.|volume=5|doi=10.1038/srep16831|pmid=26582215|pmc=PMC4652176}}</ref>。これは、吸収不良疾患、ならびに肥満、インスリン抵抗性、および糖尿病などの代謝性疾患の研究において非常に重要である。


== 病気のオルガノイドのモデル ==
== 病気のオルガノイドのモデル ==
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== オルガノイドを使ったオーダーメイド医療 ==
== オルガノイドを使ったオーダーメイド医療 ==
Cleversグループによって確立された培養プロトコルを用いて、直腸の生検から育てた腸オルガノイドは、嚢胞性線維症をモデル化するために使用されており<ref name="ReferenceB">{{Cite journal|author=Dekkers JF, Wiegerinck CL, de Jonge HR, Bronsveld I, Janssens HM, de Winter-de Groot KM, Brandsma AM, de Jong NW, Bijvelds MJ, Scholte BJ, Nieuwenhuis EE, van den Brink S, Clevers H, van der Ent CK, Middendorp S, Beekman JM|date= 2012|title=A functional CFTR assay using primary cystic fibrosis intestinal organoids|journal=Nat. Med.|volume=19|pages=939–945|DOI=10.1038/nm.3201|PMID=23727931}}</ref>、[[オーダーメイド医療]]のためのオルガノイドの最初の応用につながった<ref name="ReferenceC">{{Cite journal|author=Dekkers JF, Berkers G, Kruisselbrink E, Vonk A, de Jonge HR, Janssens HM, Bronsveld I, van de Graaf EA, Nieuwenhuis EE, Houwen RH, Vleggaar FP, Escher JC, de Rijke YB, Majoor CJ, Heijerman HG, de Winter-de Groot KM, Clevers H, van der Ent CK, Beekman JM| 2016|title=Characterizing responses to CFTR-modulating drugs using rectal organoids derived from subjects with cystic fibrosis|journal=Sci. Transl. Med.|volume=8|pages=344ra84|DOI=10.1126/scitranslmed.aad8278|PMID=27334259}}</ref>。嚢胞性線維症は、健康な上皮表面の粘液に必要な[[イオンチャネル]]をコードする[[遺伝子変異]]によって引き起こされる遺伝性疾患である。[[フォルスコリン]]や[[コレラ毒素]]のような[[cAMP]]上昇[[アゴニスト]]によって腸オルガノイドを刺激すると、完全にCFTRに依存してオルガノイドの急速な腫脹を誘発することをJeffrey Beekmanが報告している<ref name="ReferenceB"/>。嚢胞性線維症でない人からつくったオルガノイドは、フォルスコリンに応答して、オルガノイドの管腔内へ液体が輸送され膨潤するが、これは嚢胞性線維症の人からつくったオルガノイドにおいては著しく減少または欠如している。 CFTRタンパク質を修復する治療薬（CFTR調節薬）によって腫れが回復する可能性があり、CFTR調節薬を、まずはオルガノイドで試して、個々の反応を、生体で治療する前に、実験室環境で定量できることを示している。 Schwankらはまた、腸の嚢胞性線維症オルガノイドの表現型が、2013年にCRISPR-Cas9遺伝子編集によって修復され得ることを実証した<ref>{{Cite journal|author=Schwank G, Koo BK, Sasselli V, Dekkers JF, Heo I, Demircan T, Sasaki N, Boymans S, Cuppen E, van der Ent CK, Nieuwenhuis EE, Beekman JM, Clevers H| 2013|title=Functional repair of CFTR by CRISPR/Cas9 in intestinal stem cell organoids of cystic fibrosis patients.|journal=Cell Stem Cell|volume=13|pages=635–638|DOI=10.1016/j.stem.2013.11.002|PMID=24315439}}</ref>。Dekkersらによる2016年のフォローアップ研究では、嚢胞性線維症の人々からつくった腸オルガノイドの、フォルスコリン誘発腫脹の定量的な差異が、CFTR機能の既知の診断マーカーと関連していることを明らかにし<ref name="ReferenceC"/>、さらに、特定のCFTR変異を有する腸オルガノイドにおけるCFTR調節薬への応答が、これらの治療の公表された臨床試験データと相関することを実証した。これにより、治療を受ける前のCFTR変異の患者由来のオルガノイドを用い、CFTR調節薬が有効かを調べるという、前臨床試験が行われた。これらの研究は、オルガノイドが個々の治療またはオーダーメイド医療のために使用できることを初めて示した。
Cleversグループによって確立された培養プロトコルを用いて、直腸の生検から育てた腸オルガノイドは、嚢胞性線維症をモデル化するために使用されており<ref name="ReferenceB">{{Cite journal|author=Dekkers JF, Wiegerinck CL, de Jonge HR, Bronsveld I, Janssens HM, de Winter-de Groot KM, Brandsma AM, de Jong NW, Bijvelds MJ, Scholte BJ, Nieuwenhuis EE, van den Brink S, Clevers H, van der Ent CK, Middendorp S, Beekman JM|date= 2012|title=A functional CFTR assay using primary cystic fibrosis intestinal organoids|journal=Nat. Med.|volume=19|pages=939–945|doi=10.1038/nm.3201|pmid=23727931}}</ref>、[[オーダーメイド医療]]のためのオルガノイドの最初の応用につながった<ref name="ReferenceC">{{Cite journal|author=Dekkers JF, Berkers G, Kruisselbrink E, Vonk A, de Jonge HR, Janssens HM, Bronsveld I, van de Graaf EA, Nieuwenhuis EE, Houwen RH, Vleggaar FP, Escher JC, de Rijke YB, Majoor CJ, Heijerman HG, de Winter-de Groot KM, Clevers H, van der Ent CK, Beekman JM| 2016|title=Characterizing responses to CFTR-modulating drugs using rectal organoids derived from subjects with cystic fibrosis|journal=Sci. Transl. Med.|volume=8|pages=344ra84|doi=10.1126/scitranslmed.aad8278|pmid=27334259}}</ref>。嚢胞性線維症は、健康な上皮表面の粘液に必要な[[イオンチャネル]]をコードする[[遺伝子変異]]によって引き起こされる遺伝性疾患である。[[フォルスコリン]]や[[コレラ毒素]]のような[[cAMP]]上昇[[アゴニスト]]によって腸オルガノイドを刺激すると、完全にCFTRに依存してオルガノイドの急速な腫脹を誘発することをJeffrey Beekmanが報告している<ref name="ReferenceB"/>。嚢胞性線維症でない人からつくったオルガノイドは、フォルスコリンに応答して、オルガノイドの管腔内へ液体が輸送され膨潤するが、これは嚢胞性線維症の人からつくったオルガノイドにおいては著しく減少または欠如している。 CFTRタンパク質を修復する治療薬（CFTR調節薬）によって腫れが回復する可能性があり、CFTR調節薬を、まずはオルガノイドで試して、個々の反応を、生体で治療する前に、実験室環境で定量できることを示している。 Schwankらはまた、腸の嚢胞性線維症オルガノイドの表現型が、2013年にCRISPR-Cas9遺伝子編集によって修復され得ることを実証した<ref>{{Cite journal|author=Schwank G, Koo BK, Sasselli V, Dekkers JF, Heo I, Demircan T, Sasaki N, Boymans S, Cuppen E, van der Ent CK, Nieuwenhuis EE, Beekman JM, Clevers H| 2013|title=Functional repair of CFTR by CRISPR/Cas9 in intestinal stem cell organoids of cystic fibrosis patients.|journal=Cell Stem Cell|volume=13|pages=635–638|doi=10.1016/j.stem.2013.11.002|pmid=24315439}}</ref>。Dekkersらによる2016年のフォローアップ研究では、嚢胞性線維症の人々からつくった腸オルガノイドの、フォルスコリン誘発腫脹の定量的な差異が、CFTR機能の既知の診断マーカーと関連していることを明らかにし<ref name="ReferenceC"/>、さらに、特定のCFTR変異を有する腸オルガノイドにおけるCFTR調節薬への応答が、これらの治療の公表された臨床試験データと相関することを実証した。これにより、治療を受ける前のCFTR変異の患者由来のオルガノイドを用い、CFTR調節薬が有効かを調べるという、前臨床試験が行われた。これらの研究は、オルガノイドが個々の治療またはオーダーメイド医療のために使用できることを初めて示した。


== 発生生物学のモデルとしてのオルガノイド ==
== 発生生物学のモデルとしてのオルガノイド ==

2020年1月25日 (土) 16:20時点における版

Lgr5+幹細胞からの腸オルガノイド

オルガノイド（organoid）は、3次元的に試験管内 (in vitro) でつくられた臓器である。オルガノイドは、拡大しても本物そっくりの解剖学的構造を示し、実際の臓器よりも小型で、単純である。これらは、組織の細胞、ES細胞またはiPS細胞から、自己複製能力および分化能力で、3次元的な培養で、自己組織化により形成される。オルガノイドをつくり出す技術は、2010年代初めから急速に進歩しており、ザ・サイエンティスト（英語版）誌はオルガノイドを「2013年の最大の科学的進歩の1つ」に選んだ[1]。

歴史

臓器をin vitroでつくるという試みのはじまりは、ヘンリー・ヴァン・ピーターズ・ウィルソンによる。ウィルソンは、機械的に海綿動物を細胞までばらばらに解離し、その細胞が再集合し、自己組織化して生物全体を生成できることを実証した。これは最初の解離 - 再構成実験であった[2][3]。その後数十年に渡り、複数の研究室が、両生類や鳥類の雛から得られた臓器組織を用い、異なる種類の臓器をin vitroで解離させ再集合させることができた[2][4][5]。機械的にばらばらにされた細胞が集まって組織を再形成するために組織を再構成する現象は、後にMalcolm Steinbergによる差次接着仮説（英語版）の提唱につながった[2]。幹細胞生物学分野の到来と共に、in vitroで器官を形成するという幹細胞の能力は初期に認識された。これは、幹細胞が奇形腫または胚様体（英語版）を形成するとき、分化した細胞が複数の組織で見られるような異なる構造に組織化できるという観察による[2]。それまで幹細胞は平面の培地で培養や分化がなされていたが、立体的な培地での培養や、臓器の複雑な三次元構造の形成が可能になり、オルガノイドの研究分野がはじまった[2]。研究者たちは1987年以来、3次元培養のためのさまざまな方法を考案し、さまざまな種類の幹細胞を利用し、多数の臓器に似たオルガノイドができた。2008年、理化学研究所の笹井芳樹らのチームは、幹細胞が自ら組織化し、神経細胞の球に分化し、その球には層も観察できることを、実証した[6] 。2009年には、オランダのHubrecht InstituteとUniversity Medical Center、ハンス・クレヴァース研究所が、単一のLGR5幹細胞が間葉系ニッチを伴わずにin vitroで陰窩-絨毛構造を構築することを示した[7]。2010年に、Mathieu UnbekandtとJamie A. Daviesは、マウス胎児由来の再生幹細胞からの腎臓オルガノイドの作成を実証した。その後、これらのオルガノイドのin vitroおよび生体内（in vivo）で生理学的機能を示したと報告されている[8][9][10]。

オーストリア科学アカデミーのマデリーン・ランカスター（Madeline Lancaster）は、2013年にヒトの脳の細胞組織の形成を模倣した幹細胞由来の大脳オルガノイドを培養するためのプロトコールを確立した[11]。

2014年、 イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校のArtem Shkumatov等は、ES細胞が接着する基質の固さを調節することによって、心臓の血管のオルガノイドが形成されることを示した。生理的固さは、EBの三次元構造構築と心筋への分化を促進した[12]。

Takebeらは、多能性幹細胞由来の組織特異的前駆細胞または関連する組織サンプルを、内皮細胞および間充織幹細胞と組み合わせることにより、多様な組織からの器官芽（organ bud）形成の一般的な方法を実証した。彼らは、分化がより進んだものではなく、成熟していない組織や器官芽が、移植後の成熟した臓器の機能形成に効果的であることを示した[13]。

特性

ランカスターらは[2]オルガノイドを臓器に特異的な種類の細胞の集合体として定義している。幹細胞または臓器前駆細胞から発生した細胞が、細胞選別や、空間的に制限された細胞どうしが接着し、自己組織化する。In vivoの臓器と同様、以下の性質を示す。

  • 1つ以上の臓器特異的な細胞型を有する。
  • 臓器のいくつかの特定の機能（例えば排泄、濾過、神経活動、収縮）を再現することができる。
  • その細胞は一緒にグループ化され、臓器と同様に空間的に組織される。

工程

オルガノイドは一般的に、立体的な培地中で、幹細胞または前駆細胞が培養され、形成される[2]。立体的な培地は、Engelbreth-Holm-Swarm腫瘍の細胞株によって分泌されるラミニンに富む細胞外マトリクスであるヒドロゲル・マトリゲル（hydrogel Matrigel）を使用して作製することができる[14]。オルガノイドは、幹細胞を立体的な培地に包埋することによって作製することができる[2]。多能性幹細胞がオルガノイドの生成に使用される場合、細胞は通常は胚様体を形成することが可能である。これらの胚様体は、パターニング因子で薬理学的に処理され、望みのオルガノイドの形成を促進する[2]。オルガノイドはまた、標的器官から採取された成体の幹細胞を用いて作製され、3D培地で培養されている[15]。

オルガノイドの種類

オルガノイドを用いて多数の臓器の構造が再現されている[2]。オルガノイドの最新の文献に基づいた簡単な概要と、作成されたオルガノイドのリストと利用例、現状の状況を概説する。

  • 脳オルガノイド（Cerebral organoid）
  • 小脳オルガノイド（Cerebellar organoid）[16][17]
  • 内耳オルガノイド[18][19]
  • 甲状腺オルガノイド[20]
  • 胸腺オルガノイド[21]
    • 胸腺オルガノイドは、T細胞が成熟するリンパ器官である胸腺の構造、機能を部分的に再現する[22]。胸腺オルガノイドは、3次元的に胸腺間質細胞を培養し、生成された[22]。胸腺オルガノイドは、ヒト造血幹細胞または骨髄幹細胞とマウス胸腺オルガノイドを共培養すると、T細胞の産生を引き起こすので、胸腺の機能をうまく再現するようである[22] 。
  • 精巣オルガノイド
  • 肝臓オルガノイド[23]
  • 膵臓オルガノイド[24]
  • 腸オルガノイド（Gut Organoid）
    • 腸オルガノイドは、胃腸管の構造を再現するオルガノイドを指す。胃腸管は、内胚葉から発生し、発達中に3つの異なる領域に分けられ、他の器官とともに、胃腸管の以下の部分を生じる[2]。2017年には、ヒト多能性肝細胞から高次機能を有したミニ腸の作成に成功している[25]。
      1. Foregutは、口腔および胃になる
      2. Midgutは、小腸および上行結腸になる
      3. Hindgutは、直腸と結腸の残りの部分になる
  • 上皮オルガノイド[7][26]
  • 肺オルガノイド[27]
  • 腎臓オルガノイド（= renal organoid）[8][28][29][30]
  • 胚（胃腺Gastruloids）[31][32]

オルガノイドを用いた基礎研究

オルガノイドは、生物学の基礎研究をサポートするツールとなる。オルガノイドは、臓器内での細胞の相互作用、体内環境との相互作用、その臓器での疾患、薬物の効果の研究に役立つ。試験管内での培養は、扱いやすく、観察も容易である。実際の臓器は栄養素の問題で、培養は困難であるが、オルガノイドは大きさが小さいため、培養も可能である。一方、それらは臓器の特徴すべてを示すわけではなく、他の臓器との相互作用はin vitroではわからない。

腸オルガノイドを用いて、幹細胞の研究がされてきたが[7]、栄養の取り込み、薬物輸送、およびインクレチンホルモンの分泌の研究にも用いられている[33]。これは、吸収不良疾患、ならびに肥満、インスリン抵抗性、および糖尿病などの代謝性疾患の研究において非常に重要である。

病気のオルガノイドのモデル

オルガノイドは、ヒト疾患の細胞モデルとして、病気の原因の解明や、治療法の研究に使用できる。1つの例では、CRISPRと呼ばれるゲノム編集システムを、ヒト多能性幹細胞に適用して、2つの異なる腎疾患、多嚢胞腎臓病および局所分節性糸球体硬化症に関連する遺伝子をターゲットに突然変異を導入した[29]。これらのCRISPRによる遺伝子改変された多能性幹細胞はその後、疾患に特異的な表現型を示すヒト腎臓オルガノイドを形成した。多嚢胞性腎臓疾患の変異を有する幹細胞由来の腎臓オルガノイドは、腎臓細管からの大きな半透明の嚢胞構造を形成した。局所分節性糸球体硬化症に関連する遺伝子に変異を有する腎臓オルガノイドは、その病気に罹患している濾細胞である足細胞間の接合部欠損を発症した。変異を入れる前の幹細胞からつくった、同じ遺伝的背景の、対照実験となるオルガノイドは、これらの疾患の表現型を示さなかった[29]。これらの実験は、オルガノイドが、ヒトの病気の複雑なモデルとして、実験室での研究に利用できるかを実証するものであり、ペトリ皿で、組織レベルの表現型が再現された。

オルガノイドを使ったオーダーメイド医療

Cleversグループによって確立された培養プロトコルを用いて、直腸の生検から育てた腸オルガノイドは、嚢胞性線維症をモデル化するために使用されており[34]、オーダーメイド医療のためのオルガノイドの最初の応用につながった[35]。嚢胞性線維症は、健康な上皮表面の粘液に必要なイオンチャネルをコードする遺伝子変異によって引き起こされる遺伝性疾患である。フォルスコリンやコレラ毒素のようなcAMP上昇アゴニストによって腸オルガノイドを刺激すると、完全にCFTRに依存してオルガノイドの急速な腫脹を誘発することをJeffrey Beekmanが報告している[34]。嚢胞性線維症でない人からつくったオルガノイドは、フォルスコリンに応答して、オルガノイドの管腔内へ液体が輸送され膨潤するが、これは嚢胞性線維症の人からつくったオルガノイドにおいては著しく減少または欠如している。 CFTRタンパク質を修復する治療薬（CFTR調節薬）によって腫れが回復する可能性があり、CFTR調節薬を、まずはオルガノイドで試して、個々の反応を、生体で治療する前に、実験室環境で定量できることを示している。 Schwankらはまた、腸の嚢胞性線維症オルガノイドの表現型が、2013年にCRISPR-Cas9遺伝子編集によって修復され得ることを実証した[36]。Dekkersらによる2016年のフォローアップ研究では、嚢胞性線維症の人々からつくった腸オルガノイドの、フォルスコリン誘発腫脹の定量的な差異が、CFTR機能の既知の診断マーカーと関連していることを明らかにし[35]、さらに、特定のCFTR変異を有する腸オルガノイドにおけるCFTR調節薬への応答が、これらの治療の公表された臨床試験データと相関することを実証した。これにより、治療を受ける前のCFTR変異の患者由来のオルガノイドを用い、CFTR調節薬が有効かを調べるという、前臨床試験が行われた。これらの研究は、オルガノイドが個々の治療またはオーダーメイド医療のために使用できることを初めて示した。

発生生物学のモデルとしてのオルガノイド

オルガノイドは、発生生物学を研究するための特別なモデルとなる[37]。多能性幹細胞の運命の方向性を導く技術の進歩は、3D培養技術の進歩とあわさり、多数の人間の臓器の様々な特定の小領域の特性を再現するオルガノイドの作成を可能にした[37]。これらのオルガノイドの使用は、臓器形成の過程、および発生生物学の理解に大きく貢献した[37]。 例えば、中枢神経系の発生の理解に貢献している。さらに、オルガノイドは網膜形成の基礎となる物理的力の理解や、生物の種類に特徴的な眼の構造形成の理解に貢献した[38][39][37]。また 、大脳皮質における前駆細胞を制御する因子を同定した[40][41][37]。

脚注

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