3D細胞モデル 複雑な3Dバイオロジーを、細胞イメージングと解析技術の高度な手法を用いて研究
3D細胞培養アプリケーションとアッセイのための細胞イメージングと分析
化合物スクリーニングのための、より複雑で、生物学的関連性が高く、予測可能な細胞ベースアッセイの開発は、創薬における主要な課題です。トランスレーショナルバイオロジーを推進するために、3次元（3D）アッセイモデルの統合が広まりつつあります。より複雑なセルモデルは、in vivoの環境や薬物治療に対する反応をより精度高く模倣するため、人気を博しています。具体的には、3D細胞培養は、構造、細胞組織、細胞-細胞間および細胞-マトリックス間の相互作用、生理学的により関連した拡散特性など、ヒト組織の側面を忠実に再現できるという利点があります。3D細胞アッセイの活用は、2D細胞培養と全動物モデルとのトランスレーショナルなギャップを超えて、研究やスクリーニング・キャンペーンに付加価値をもたらします。3Dモデルは、生体内環境の重要なパラメーターを再現することで、試験管内での幹細胞や発育中の組織の挙動に関する独自の洞察を提供することができます。
3D細胞イメージングと解析ワークフロー
3D細胞培養を用いた定量的アッセイの開発は、複雑な生物学を理解するための魅力的な調査ツールとなっていますが、3D細胞画像の取得と解析のワークフローが困難であるため、スクリーニングコミュニティによる幅広い導入が妨げられてきました。ハイコンテント、ハイスループットの顕微鏡ツールは、この複雑な生物学を評価するための革新的で自動化された技術を提供します。3D細胞培養が培養され、あるいはイメージング・マイクロプレートに移された後、セルは化合物で処理され、選択したマーカーで染色されます。画像取得については、ImageXpress® 自動イメージングシステムとモレキュラーデバイスの細胞イメージング・解析ソフトウェアにより、これらのモデルを単一の統合インターフェース内でスクリーニング・解析する機能が提供され、創薬までの時間を劇的に短縮することができます。
3D細胞イメージングと解析技術
モレキュラーデバイスのイメージング技術は、より生理学的に関連性の高いモデルを容易に実現できるよう進化し続けています。モレキュラーデバイスのテクノロジーが、小規模アッセイからハイスループット・スクリーニングまで、3D細胞培養のスケールアップにどのように役立つのか、詳細をご覧ください。
3Dアッセイ用画像の取得
近年、創薬や環境毒性への応用において、より予測的で生理学的関連性の高い測定を実現するために、自動化された顕微鏡やイメージングが大きく進歩しています。より複雑なアッセイや3Dモデルを実装するには、論文に匹敵する品質の画像やデータを取得するための高解像度が必要です。
コンフォーカルイメージングは、焦点外光を低減することで高いシグナル対ノイズ比を実現し、分厚いサンプル内でもより鮮明な画像を取得し細胞の詳細な情報を得ることができます。ImageXpress®マイクロ共焦点システムを用いた3D画像取得のハイスループット技術については、ビデオをご覧ください。
3Dアプリケーションのための画像解析
サンプルが3Dであっても、生成される画像セットにはさまざまなタイプがあります。単一の平面で十分な場合もあれば、複数の平面を取得する場合もあります。複数のプレーンを取得した場合、それらを個別に解析したり、1つの2D投影に統合した後に解析したりできると便利です。最終的には、3D画像全体の解析が実験の目的になることもあります。MetaXpress®ソフトウェアを使用して、複数のzプレーンの画像を3Dボリュームとして解析する方法の詳細については、ビデオをご覧ください。
3Dセルモデルの利点
3次元（3D）細胞モデルは、2次元細胞培養よりも生理学的に適切であり、生体内で発生する組織微小環境、細胞間相互作用、生物学的プロセスをより忠実に表現します。現在では、ImageXpressシステム等のハイコンテントイメージャー（HCI）システムを用いて、より予測的なデータを生成することができます。MetaXpress®ソフトウェア等のハイコンテント画像取得・解析ソフトウェアと3D解析モジュールの両方を統合することにより、ImageXpressシステムは3D構造の詳細な解析、可視化、評価に使用することができます。この単一のインターフェースにより、スループットやデータ品質に妥協することなく、3D画像取得や解析の課題に対応し、発見を裏付けることができます。
3D細胞モデルを支援する製品・サービス
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CellXpress.ai
自動細胞培養システム
機械学習とデータに裏付けられた自動処理による次世代細胞培養システム
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ImageXpress Confocal HT.ai
ハイコンテントイメージングシステム
7波長の高輝度レーザー光源と機械学習機能を備えた、
拡張可能でハイスループットなハイコンテントスクリーニングソリューション -
IN Carta
画像解析ソフトウェア
複雑な生物学的画像やデータセットから、ロバストで定量的な結果を提供します。
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MetaXpress
ハイコンテント画像取得・解析ソフトウェア
ImageXpressインストゥルメンテーションに最適化された幅広いアプリケーションに対応するマルチレベル解析ツール
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ImageXpress Micro Confocal
ハイコンテントイメージングシステム
1週間に100万ウェルを超えるイメージングが可能な、ユニークな共焦点イメージングソリューション
3D細胞モデルのアプリケーションとアッセイについて
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3Dがん細胞研究
がんは、細胞が正常な限度を無視して増殖・分裂し、隣接組織に侵入して破壊し、最終的には体内の離れた部位に転移するような変化を伴います。癌スフェロイドは、標準的な2次元細胞培養よりもはるかに精密に腫瘍の挙動を模倣します。このような3Dスフェロイド・モデルは、潜在的な癌治療薬を同定するためのスクリーニング環境において効果的に活用されています。
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3Dプリント肝臓モデル
コラーゲンマトリックス内の肝細胞の自動バイオプリンティングとハイコンテントイメージャーを可能にする、リキッドハンドリングを備えたマルチツールロボット装置を用いた3Dプリンティング肝臓モデルの自動生成方法について説明します。3Dバイオプリンティングは、空間制御と多様なマトリックスによる複雑なモデルの生成を可能にし、複雑な組織構造の形成を可能にする。このアッセイは、化合物の試験や肝細胞における毒性効果の評価に使用されます。
アプリケーションノート：バイオプリント3D肝臓モデルと化合物毒性評価のためのハイコンテントイメージャー 学術ポスター：バイオプリント3D肝臓モデルとハイコンテントイメージャーによる化合物毒性評価 >
3Dオルガノイド作製と、肝臓モデルを含む複雑なセルアッセイの自動化に関する特集記事：
工業的規模のオルガノイド生産：課題、利点、解決策 >
3Dオルガノイドと複雑な細胞アッセイの自動化【ポッドキャスト】 > -
3D神経スフェロイド
効果的で安全な医薬品の開発を加速するために、創薬や毒性スクリーニングのための、より複雑で生物学的関連性が高く、そして予測可能な細胞ベースアッセイの必要性が高まっています。
ここではヒトiPSC由来細胞で形成した3D神経スフェロイドを用いた機能的・形態学的アッセイが、薬剤候補の評価や神経毒性評価に利用できることを示しています。
ウェビナー：創薬における3D神経スフェロイドの実装 >
神経活性化合物効果の表現型的特徴づけ >
iPSC由来3次元神経共培養における神経毒性および神経活性化合物効果の機能評価 > -
心毒性
心毒性の評価は、創薬の初期段階において、毒性の可能性のある化合物を今後の開発から除外するために重要です。心臓安全性評価で失敗した化合物に関連する非効率とコストの削減の解決につながるからです。
ここではハイスループット・スクリーニングに適しており、生物学的に関連性の高い3D細胞ベースのモデルを使用したin vitro心毒性アッセイについてご紹介します。
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細胞外マトリックス中のセル
三次元空間で細胞を培養する一般的な方法の一つは、マトリゲルなどの細胞外マトリックスベースのハイドロゲルを使用することです。細胞は細胞外マトリックス（ECM）中で培養され、生体内環境を模倣します。マトリゲルと2D細胞培養は、細胞形態、細胞偏光、遺伝子発現の違いによって容易に区別することができます。ハイドロゲルはまた、血管新生研究における内皮細胞のチューブ形成のような細胞の遊走や3D構造形成の研究を可能にします。
マトリゲルにおける3次元細胞培養の自動化と解析 >
がんスフェロイド培養における化合物効果の3D解析と形態学的特性評価 -
疾患モデル
疾患モデル系は、単純な2次元細胞培養から複雑なモデル生物まで、その複雑さと規模は多岐にわたります。モデル生物はin vivoの状況を提供するが、コストがかかることが多く、ヒトの生物製剤を表現できないことがあります。一方、従来の2次元細胞培養システムは長年使用されてきましたが、生体組織に見られる複雑な3次元構造や細胞間相互作用を表現するには限界がありました。その結果、疾患モデル化のための魅力的なモデル系として浮上してきたのが、3次元細胞培養です。
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創薬・医薬品開発
医薬品の約9割が上市されず、失敗に終わります。この深刻な失敗率は、複雑なヒトの生物学を忠実に模倣していない2次元細胞培養に依存していることに起因しています。
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肝スフェロイド
（iPSC由来肝細胞）
薬剤誘発性肝毒性は肝障害や急性肝不全の重要な原因である。従って、安全性と有効性を試験するための予測性の高いアッセイは、医薬品開発を改善し、薬剤の減少を抑えるために極めて重要です。ここでは、成熟細胞の典型的な性質と代謝を示し、医薬品開発の初期段階におけるハイコンテントスクリーニングに理想的な、ヒトiPS細胞（人工多能性幹細胞）由来の肝細胞（肝スフェロイド）を用いた方法について述べます。
iPSC由来肝細胞スフェロイドを用いたハイコンテント3D毒性アッセイ >
iPSC由来肝細胞を用いたマルチプレックスハイコンテント肝毒性アッセイ >
高速カイネティック蛍光と3D画像解析を用いたiPSC由来心臓および肝臓スフェロイドに対する化合物効果の表現型解析 >
iPSC由来肝細胞による肝毒性とiPSC由来心筋スフェロイドの拍動パターン >
マルチプレックスハイコンテントアッセイによるiPSC由来肝細胞の肝毒性判定 >
共焦点イメージングと三次元画像解析を用いたiPSC由来肝スフェロイドにおける毒性化合物効果の表現型解析 > -
Organ-on-a-chip（臓器チップ）
Organ-on-a-chip（OoC）とは、微細加工技術を用いて、肺、心臓、腸などの生物製臓器のミニチュアモデルをチップサイズのデバイス上に作成する技術です。これらのマイクロファブリケーション・デバイスは、マイクロスケールのプラットフォーム上で培養された生きたセルで構成されており、それらが表現する臓器の構造と機能を模倣しています。セルは通常、臓器の本来の3次元構造を模倣するように配置され、臓器の生理的環境を表現するために血液や空気などの流体が灌流されます。
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オルガノイド
イノベーションセンター
モレキュラーデバイスの新しいオルガノイドイノベーションセンターは、最先端技術と新しい3Dバイオロジー手法を組み合わせ、複雑な3Dバイオロジーのスケーリングにおける重要な課題に取り組んでいます。
この共同スペースでは、顧客や研究者がラボに集まり、社内の科学者の指導を受けながら、オルガノイド培養とスクリーニングの自動ワークフローをテストすることができます。
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オルガノイドと
スフェロイド
スフェロイドとオルガノイドという用語は、しばしば同じ意味で使われます。どちらの細胞モデルも3D多細胞構造体であり、2D細胞モデルに比べ、より精度高く生体内環境を模倣しています。オルガノイドは通常、高次の自己集合を示す細胞の共培養から構成され、生体内の複雑な細胞応答や相互作用をより正確に表現することができます。対照的に、スフェロイドはより単純化された3次元構造を持ち、高い再現性とスケーリングが可能です。機能的には、どちらのモデルタイプも、より生理学的に関連したデータを取得するための、より優れたin vitroモデルとして使用されます。
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オルガノイド
オルガノイドは3次元（3D）多細胞微細組織であり、ヒト臓器の複雑な構造と機能を忠実に模倣するように設計されています。オルガノイドは通常、高次の自己集合を示す細胞の共培養から成り、従来の2次元細胞培養と比較して、生体内の複雑な細胞反応や相互作用をより精度高く表現することができます。
脳オルガノイド >
乳がん腫瘍 >
心臓オルガノイド >
大腸がん（CRC）オルガノイド >
腸管オルガノイド >
患者由来オルガノイド(腫瘍) >
肺オルガノイド > -
スフェロイド
スフェロイドは、生体内の細胞反応や相互作用を模倣した多細胞3D構造体です。再現性が高く、ハイコンテントスクリーニングのためのスケールアップが可能です。2D細胞単層で増殖させた接着細胞に比べて、3D増殖条件はがん細胞の自然環境をより忠実に反映すると考えられています。このような大きな構造物から測定値を取得するには、スフェロイド本体内の異なる深さ（Z-平面の）から画像を取得して3D構造解析するか、解析前に画像を1つの2Dスタックにまとめる必要があります。
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幹細胞
幹細胞は、特異性細胞タイプや3D組織における標的反応を測定するための長期的な研究に使用可能で、プライマリーに似た細胞の入手しやすい供給源です。複雑なアッセイや3D人工多能性幹細胞（iPSC）由来の細胞モデルは、組織バイオロジーや細胞相互作用をよりよく表現しており、多くの毒性や薬剤スクリーニングアッセイに適しています。
iPSC由来肝細胞を用いたマルチプレックスハイコンテント肝毒性アッセイ >
iPSC由来ヒト神経細胞を用いた神経細胞毒性のハイコンテントスクリーニング >
iPSC由来肝細胞スフェロイドを用いたハイコンテント3D毒性アッセイ >
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毒性学
毒物学は、天然または人工の化学物質が生体に及ぼす悪影響を研究する学問です。環境中や使用する製品に含まれる化学物質にさらされる機会が増えている今日では、毒性学への関心が高まっています。
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全生物
ショウジョウバエ、線虫、ゼブラフィッシュなどのモデル系は、ヒトの生物学と関連性があり、遺伝学的および全器官的な表現型スクリーニングが可能という利点もあります。ゼブラフィッシュのスクリーニングは、哺乳類のスクリーニングに代わる方法として、コストやスペースの削減、短い世代数、遺伝子操作の容易さなどの理由から支持されています。モレキュラーデバイスのゼブラフィッシュ研究では、ImageXpress MicroシステムとMetaXpress®ソフトウェアを使用して、血管新生阻害のモニタリング、遺伝子ノックダウンの定量、耳毒性および神経毒性の測定を行う自動イメージングスクリーンをセットアップし、実行しました。
ヒト疾患のモデル生物であるゼブラフィッシュを用いたハイスループットなイメージングアッセイ >
ハイスループットスクリーニングのためのゼブラフィッシュの新規イメージングと解析 >
ゼブラフィッシュのアクチンマスクとFITC血管マスク >