心臓オルガノイド

心血管疾患（Cardiovascular Disease：CVD）や先天性心疾患（Congenital Heart Defects：CHD）をはじめとする心血管障害は、世界的における主要な死亡原因であり、年間推定1,790万人の死因となっています。しかし、心血管疾患研究のプロセスで作製されるオルガノイドの開発は、その構造の複雑性のためか、腎臓、脳、腸などの他の臓器に比べて遅れています。

これまで、病態解明や創薬研究に向けて、動物モデルやスフェロイド培養といった様々な心臓モデルが活用されてきました。しかし、これらのモデルの多くは、特定の細胞種のみで構成されているケースが多く、心外膜や心内膜細胞を含む多細胞間の相互作用や、生体内の臓器が持つ構造的な複雑性を完全に再現するには至っていません。

こうした課題を解決するため、個々に分化誘導した心筋細胞、血管内皮細胞、線維芽細胞などの混合物を用いる「3D心臓組織（人工心臓組織）」が開発されました。 3D心臓組織は、組織の力学的・電気生理学的特性をモデル化することに優れ、各種心疾患の表現型の再現や創薬研究において様々な疾患モデルが報告されています。しかし、あらかじめ分化させた細胞を人工的に成形するアプローチであるため、初期胚における自然な心臓発生過程や、それに伴う内在的な細胞外マトリックス（ECM）の形成を反映させることは困難です。

これに対し、近年注目を集める「心臓オルガノイド」は、心臓の分化過程における幹細胞の自己組織化により形成されるため、自然発生的な層状構造など、実際の心臓に近い構造を持ちます。現在の技術において、3D心臓組織は、ある程度分化が進んだ細胞を使用する一方、心臓オルガノイドの成熟度は、まだ発生過程の初期段階であることが多いです。心臓オルガノイドは発生プロセスをより生体内の変化に近い形で再現できるため、遺伝子の特定の変異や培養条件の変更によって遺伝子奇形をモデル化することが可能です。これにより、従来のモデルでは困難であった心臓発生機序の解明や、発生障害の研究においてより有効なプラットフォームになると考えられています。

心臓オルガノイドと3D心臓組織の違い

	心臓オルガノイド	3D心臓組織
構造	細胞の配置や相互作用が生体内に近い 層状構造や内腔を有する	フィブリンやゲルなどを使用して生体内とは異なる形で組織化する
作製方法	自然発生的な自己組織化して作製	足場材や鋳型に依存して分化した細胞を混合して作製
疾患モデル	発生過程を模倣するため、胎生期や発生異常モデルに適している	様々な遺伝性、非遺伝性の疾患モデルが報告されている
ばらつき	組織ごとのばらつきが大きい	組織ごとのばらつきが少ない

心臓オルガノイドの作製において、各過程で使用する試薬をご紹介します。
プロトコル詳細については、参考文献（X, Tian et al., 2022、HK, Voges et al., 2023）をご参照ください。

プロトコル例1（X, Tian et al., 2022）

	iPSCs	心臓オルガノイドへの分化
培地	hPSC Medium	RPMI
血清/添加剤		B27-insulin				B27-insulin
解離試薬	Accumax
培養用化合物	Y-27632	CHIR99021		Wnt-C59		CHIR99021
サイトカイン		BMP4/ ActivinA
器材	96-well plate

※X, Tian et al., 2022のデータを基に改変・作成

プロトコル例2（HK, Voges et al., 2023）

	iPSCs	心筋細胞および間質細胞への分化			細胞解離・ 調製	心臓オルガノイド培養
培地	hPSC medium	RPMI			MEMα	MEMα	DMEM-glucose
血清/添加剤		B27-insulin/PS/L-Ascorbic Acid/L-Ala-L-Gln		B27/PS/L-Ascorbic Acid/L-Ala-L-Gln	PS/L-Ascorbic Acid/FBS/L-Ala-L-Gln	PS/L-Ascorbic Acid/B27/L-Ala-L-Gln	PS/L-Ascorbic Acid/B27-insulin/L-Ala-L-Gln/Aprotinin/D-glucose/Palmitic Acid
								Insulin
解離試薬					Collagenase I/Trypsin-EDTA
足場材	EHS gel matrix				Collagen I/EHS gel matrix/10×DMEM	PDMS
培養用化合物		CHIR99021	IWP-4
サイトカイン		BMP4/ActivinA/FGF2				PDGF-BB/FGF2
器材	T25 flask				T25 flask	96-well plate

※HK,, Voges et al., 2023のデータを基に改変・作成

• B, Volmert et al.: Nat Commun., 14 (2023).
• L, Drakhlis et al.: Nat Biotechnol., 39, 737 (2021).
• YR, Lewis-Israeli et al.: Nat Commun., 12, 5142 (2021).
• Y, Tian et al.: Front Cell Dev Biol., 10 (2022).
• HK, Voges et al.: STAR Protoc., 4 (2023).
• 谷英典、遠山周吾：オルガノイド研究, 99 (2024).