人間の臓器チップでモデル化されたバレット食道

2023 年 6 月 8 日

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ハーバード大学による

胃酸が嚥下管または食道に逆流する胃酸逆流は、多くの人が時折経験するものです。 それが繰り返し発生して慢性的な問題になると、食道の上皮内層の細胞が胃や腸の細胞と同じであるように見える「バレット食道」（BE）を引き起こす可能性があります。

このプロセスは「化生」として知られ、食道がんの発生率増加と関連しています。食道がんは、世界中でがんによる死亡の6番目に多い原因と推定されている最も致死性の高い腫瘍の1つです。

どのバレット食道患者ががん発症のリスクが高いかを予測し、この移行を阻止できる薬剤を発見するには、その細胞的および分子的誘因についてより深く理解する必要がある。 しかし、動物モデルは食道の解剖学的構造が異なり、既存の in vitro モデルではヒト患者で観察される BE の特徴である細胞および組織構造の変化を再現できないため、BE の研究には役に立ちません。

食道は、食道内腔に直接面する上皮細胞の層で裏打ちされており、線維芽細胞と「間質」として知られる周囲の細胞外マトリックスの混合物によって下から支えられています。 機械的および栄養的サポートを提供することに加えて、間質は上皮細胞に信号を送り、胎児の食道の発達中に上皮細胞の分化と機能を導くことが知られています。

間質は、組織の再生を可能にする信号を生涯を通じて食道上皮に提供し続けますが、多くの場合癌形成に先行する化生への実質の寄与は不明のままです。

現在、ハーバード大学の Wyss 生物インスピレーション工学研究所の研究チームは、Wyss の創設ディレクターである Donald Ingber 医学博士が率い、カナダのモントリオールにあるマギル大学およびカリフォルニア大学サンフランシスコ校 (UCSF) の研究者と協力しています。 ) は、Organ Chip 技術を使用して、間質由来線維芽細胞に対する BE 上皮の応答を患者固有の方法で in vitro で再現するモデルを開発しました。

臓器チップは、さまざまな種類の細胞および組織で構成される臓器の重要な構造と機能を体外で模倣できるマイクロ流体細胞培養デバイスです。

研究チームは、実際の生体内に似た上皮－間質界面を再現する線維芽細胞が埋め込まれた間質様層上で直接成長させた上皮細胞で裏打ちされたチップを作成した。 重要なのは、上皮細胞と線維芽細胞の両方が、食道がん患者の同じ食道の異なる領域から分離されたことです。 一部の領域は健康に見えましたが、他の領域は典型的な BE の兆候を示していたか、癌に進行していました。

BE領域の上皮細胞および線維芽細胞と上皮間質界面を再構成すると、細胞はBE組織に非常に似た組織を再形成した。 しかし、BE上皮細胞と癌領域の線維芽細胞を組み合わせたところ、顕微鏡下でBE上皮層の細胞がより速い速度で増殖し、前癌状態の変化を示すことが観察されました。 この発見は、個々の患者における間質と上皮の関係を詳細に分析するための準備を整えるものです。 これらはGastro Hep Advancesに掲載されています。

BE Organ Chip モデルの開発において、イングバー氏のチームは、結腸を含む消化器系を研究するために設計された以前の Organ Chip モデルを基に構築しました。 食道上皮細胞に最適化したオルガノイド培養法も提供します。 研究者らは、患者の幹細胞の潜在能力とオルガノイドの機能的上皮細胞への分化を保存することにより、初代ヒト食道上皮細胞の長期持続供給源を創出した。

「BE の in vitro モデルの多くは、不死化するために遺伝子操作された患者の細胞を利用していますが、その特徴の一部も失われています。初代ヒト細胞を臓器チップに適用できるため、人間の状況にずっと近づけることができます」 」と、イングバー氏のチームの博士研究員としてこのプロジェクトに取り組んだ筆頭著者のエリー・シムショニ博士は語った。

ヒトの上皮と線維芽細胞の相互作用を模倣し、それを長期間観察できるようにするために、Shimshoni らは、臓器チップの上部チャネルにある細胞の天然の細胞外マトリックスに似たコラーゲンゲル内で患者の線維芽細胞を培養しました。多孔質膜によって分離された 2 つの平行なチャネル。

2 つの細胞集団間の直接接触を促進するために、オルガノイド培養物から採取した食道上皮細胞を、上部チャネル内の線維芽細胞含有コラーゲンゲルの上で増殖させました。 この Organ Chip バージョンの取り外し可能な蓋により、上皮細胞がいわゆる気液界面で空気にさらされることが可能になりました。これは、食道で起こるのと同じように、上皮細胞の完全な分化と緊密な上皮層の形成にとって重要です。生体内。 下部チャネルを通して液体培地を連続的に流し、培養細胞に栄養を供給しました。

研究者らが「同型ペアリング」と呼ぶ方法で、正常な線維芽細胞と、健康に見える領域の正常な食道上皮細胞を組み合わせたところ、正常な食道細胞の形態と組成、および正常な分子マーカー発現を有する多層上皮が得られた。

一方、BE関連線維芽細胞とBE上皮細胞の同型ペアリングでは、より厚い立方体上皮細胞と通常腸に見られる粘液を産生する杯細胞が点在するBE様上皮が生成されました。 これらの発見は、培養システムが正常および BE 食道組織形成を再現できることを示しました。

しかし、「BE上皮細胞を、同じ個人の食道のがん部位からの食道がん関連線維芽細胞と「異型ペアリング」で組み合わせた場合にのみ、BE上皮細胞は前がん状態に典型的な過剰増殖状態に追い込まれたプロセス - 正常な線維芽細胞と BE 特異的線維芽細胞は、異型および同型のペアリングではこの効果を生み出すことができません。」

これらのモデルにより、研究者は、化生から癌形成への進行において重要な役割を果たす上皮間質相互作用の分子的および細胞的基盤を研究できるだけでなく、関連性の高い組織状況における正常な食道の発達を導く相互作用も研究することができます。 「私たちの知る限り、これは、同じ患者の同じ臓器の異なる領域の間質細胞に対する BE 上皮の不均一な反応を分析することができる最初の in vitro システムです」と主著者の Donald Ingber 医学博士は述べています。 .D.

「このアプローチを複数の患者に対して実施すれば、がんの進行を示す変化の早期バイオマーカーを特定できる可能性があり、さらには将来の治療標的も特定できる可能性があります。また、治療法の選択を個別化するために使用できる可能性もあります。」

シムショニ氏が陣頭指揮を執るイングバー氏のチームは、テア・トルスティ博士のグループと緊密に連携した。 UCSF の博士と臨床科学者のロレンツォ・フェリ医学博士。 カナダのマギル大学ヘルスセンターにて。

フェリ氏は、食道がんやその他のがんや悪性腫瘍の患者を治療する同センターの胸部・上部消化管外科部門の責任者であり、食道がん患者から採取した細胞型特異的サンプルへのアクセスを提供した一方、トルスティ氏は間質の寄与について幅広く研究してきた。学際的なアプローチによる創傷治癒と悪性腫瘍。 これらのグループは、さまざまな臓器の化生組織からがんへの進行において間質が果たす重要な役割に焦点を当てているコンソーシアムの一部です。

詳しくは： E. Shimshoni et al、ヒト臓器チップでモデル化されたバレット食道における上皮-間質相互作用、Gastro Hep Advances (2023)。 DOI: 10.1016/j.gastha.2023.03.009