日本佐賀大學醫學部附屬再生醫學研究中心的中山功一主任和荒井健一特任助教，與該校醫學部胸部心臟血管外科的伊藤學助教等人組成的研究團隊，利用自主開發的劍山式生物3D列印機技術，開發出了使用培養心肌細胞對藥物的心臟毒性進行評價的新方法。與以往的評價方法相比，新方法無需使用特殊裝置，僅利用智慧型手機内置的攝影頭和顯微鏡等較便宜的裝置就能輕鬆地同時分析心肌細胞的短程飛行節奏和強度。利用人iPS細胞來源的心肌細胞，可以在體外檢測以前的動物毒性試驗無法檢測出來的、只有人體才會產生的特殊心臟毒性，有望爲新藥開發做出貢獻。
圖1：技術概要
新藥開發要花費漫長的時間和鉅額的開發成本，據說一種新藥候選最終成功應用於患者的機率爲2萬分之1。在應用於患者之前要進行各種試驗，包括動物實驗和針對健康人的用藥試驗等，然後根據效果和安全繼續操作推進開發。不過，在動物身上未發現異常的新藥候選物質用於人體後經常出現發生嚴重的副作用現象，從而不得已中止開發。其中約20％是對心臟的副作用，至此在進行人體試驗之前的數年裏花費的開發成本白白頭浪費，這是新藥開發成本大幅增加的終極因數之一。因此，需要開發出一種能在早期階段評價心臟毒性的方法。
利用源自人iPS細胞的心肌細胞，無需直接爲人體用藥，就能評估利用動物實驗無法檢測出的人類獨特性心臟毒性，對此，各國醫學家們開發了各種各樣的方法。
目前主流的評估方法採用的是，在嵌入微細電極的特殊培養皿中培養片狀心肌細胞並測量電位的昂貴解析裝置，可以解析的資料主要是心肌細胞短程飛行的電位（節奏）。
另一方面，科學家還開發出了幾種將心肌細胞與膠原蛋白凝膠等生物材料混合並形成空間結構，然後解析短程飛行情況的方法。不過，大多數生物材料與藥物的親和性比較高，因此在藥物到達心肌細胞前，會先吸附在材料上，可能無法發揮本來的藥效。
研究成果
此次的研究團隊在10多年前就發現，只需透過影片解析利用劍山式生物3D列印機製作的心肌細胞結構體，就能解析短程飛行情況，不過，僅對具有均勻表面的心肌細胞結構體進行長時間的影片處理，很難穩定追蹤細胞的短程飛行，因此這種方法無法應用於藥效解析。
但刺在劍山針上的心肌細胞結構體每次短程飛行都會使劍山上的針尖彎曲。因此，透過用自主開發的軟體進行影片解析來追蹤針尖的動作，能將針的行程量與時間軸一起繪成圖，由此可以進行更準確的短程飛行解析。
研究團隊將各種藥物用於在劍山上短程飛行的人iPS心肌細胞結構體上，成功記錄到了與以往的解析方法相同的波形。
雖然有些藥物只殺死心肌細胞，但利用該方式解析的心肌細胞結構體可以實施其他解析方法在物理可用能上難以實施的病理檢查，因此有望實施更詳細的副作用解析。
圖2：解析方法
圖3-1：藥物A的用藥結果：用藥後短程飛行和節奏強化。清洗後逐漸恢復
圖3-2：藥物B的用藥結果：節奏沒有變化，但收縮力下降。清洗後收縮力恢復。
圖3-3：藥物C的用藥結果：節奏沒有變化，收縮力逐漸下降，且不會恢復。
圖3-4：藥物D的用藥結果：節奏出現異常（＝心律不整）。
圖4：添加藥物C後，分別做成剖切，並對心肌細胞獨特性蛋白質（肌鈣蛋白T）進行染色的組織影像：肌鈣蛋白T的表達降低（褐色）
論文資訊
題目：Drug response analysis for scaffold-free cardiac constructs fabricated using bio-3D printer
期刊：《Scientific Reports》
DOI：nature.com/articles/s41598-020-65681-y
文：JST客觀日本編輯部
