患者由来オルガノイドを用いたパーソナライズドアンチセンスオリゴヌクレオチド（ASO）スクリーニングプラットフォームの確立

学術的背景

近年、ゲノムシーケンシング技術の急速な進展に伴い、特定の遺伝子変異に関連する多くの希少遺伝性疾患が発見されています。アンチセンスオリゴヌクレオチド（Antisense Oligonucleotides, ASOs）は、特定のRNA配列を標的とする治療手段として、さまざまな遺伝性疾患の治療においてその可能性を示しています。ASOsは標的mRNAに結合し、RNAの加工プロセスを調節したり、タンパク質の発現レベルに影響を与えることで、遺伝子変異によって引き起こされる病理学的表現型を修正します。しかし、ASOsが研究室や臨床で顕著な成果を上げているにもかかわらず、そのパーソナライズド設計と臨床前評価には依然として時間とコストの面で大きな課題があります。特に希少疾患患者に対して、特定の遺伝子変異を標的としたASOsを開発するためには、その効果を検証するための効率的なモデルシステムが必要です。

この問題を解決するため、研究者らは患者由来オルガノイド（organoids）を用いた迅速で拡張可能なASOスクリーニングプラットフォームを開発しました。このプラットフォームは、患者由来の誘導多能性幹細胞（iPSCs）を用いてオルガノイドモデルを生成し、これらのモデルを通じてASOsの臨床前評価を行います。この方法は、患者特異的な疾患モデルを迅速に生成できるだけでなく、短時間でASOsの治療効果を検証することが可能であり、希少疾患のパーソナライズド治療に新たな可能性を提供します。

論文の出典

この論文は、John C. Means、Anabel L. Martinez-Bengochea、Daniel A. Louiselleら研究者によって共同で執筆されました。研究チームは、Children’s Mercy Kansas Cityのゲノム医学センターおよび小児研究所、ならびにUniversity of Missouri-Kansas City School of MedicineおよびUniversity of Kansas Medical Centerに所属しています。論文は2024年11月27日に受理され、Nature誌に掲載されました。

研究のプロセスと結果

1. 患者由来iPSCsの迅速な生成

研究チームはまず、効率的なiPSCs生成プラットフォームを開発しました。彼らは患者の末梢血単核球（PBMCs）を出発材料として使用し、最適化されたリプログラミング法を用いて、わずか3週間でiPSCsを生成することに成功しました。この方法は、GSK阻害剤CHIR99021やMEK阻害剤PD0325901などの複数のリプログラミング因子を組み合わせ、遠心分離ステップを介して細胞をマトリゲル（Matrigel）上に付着させます。研究チームは、近300の患者由来iPSCs株を生成し、成功率は93％以上でした。これらのiPSCsは、複数のパッセージ後も安定した多能性とゲノムの完全性を維持しました。

2. オルガノイドモデルの生成と検証

研究者らは、患者由来のiPSCsを三次元オルガノイドモデルに分化させ、心臓オルガノイドや脳オルガノイドを含むモデルを生成しました。これらのオルガノイドモデルは、疾患関連の表現型を再現することができました。例えば、デュシェンヌ型筋ジストロフィー（DMD）患者では、心臓オルガノイドがジストロフィン（dystrophin）の発現欠如を示しました。ゲノムシーケンシングおよびRNAシーケンシングを通じて、研究チームはこれらのオルガノイドモデルに存在する遺伝子変異を確認し、患者の病理学的表現型との一致を検証しました。

3. ASOsの設計とデリバリー

研究チームは、翻訳開始部位、スプライスドナー部位、スプライスアクセプター部位など、異なるRNA領域を標的とする複数のASOsを設計しました。彼らはこれらのASOsを心臓オルガノイドにデリバリーし、免疫蛍光染色、ウェスタンブロット、RNAシーケンシングなどの方法を用いてその効果を評価しました。その結果、ASOsは標的遺伝子の発現を効果的に抑制したり、RNAスプライシングプロセスを調節することが示されました。例えば、心筋トロポニンT（TNNT2）を標的としたASOsは、このタンパク質の発現を著しく低下させ、心臓オルガノイドの収縮機能を喪失させました。

4. 既存ASOsの治療効果の評価

研究チームはまた、FDA承認のASOsが患者由来オルガノイドにおいてどのような効果を示すかを評価しました。彼らは、エクソン46-53の欠失を引き起こす遺伝子変異を持つDMD患者を選択しました。エクソン45スキップ治療に一致するASOsを設計することで、研究者らはジストロフィンの発現を回復させ、心臓オルガノイドの収縮機能を改善することに成功しました。この結果は、患者由来のオルガノイドモデルが既存のASOsの効果を評価するために使用できることを示しています。

5. パーソナライズドASOsの開発と検証

深いイントロン変異を持つ2人のDMD患者に対して、研究チームは2種類のパーソナライズドASOsを設計しました。これらのASOsは変異部位を標的とし、正常なRNAスプライシングプロセスを回復させ、ジストロフィンの発現を回復させました。カルシウムイメージング技術を用いて、研究者らはASOs処理後の心臓オルガノイドが正常な収縮リズムを回復したことを観察しました。この結果は、パーソナライズドASOsが患者由来のオルガノイドモデルにおいて顕著な効果を持つことを示しています。

結論と意義

この研究は、患者由来のオルガノイドモデルを用いた迅速で拡張可能なASOスクリーニングプラットフォームを開発し、パーソナライズドASOsの臨床前評価を行いました。このプラットフォームは、ASOsの開発プロセスを加速するだけでなく、希少疾患のパーソナライズド治療に新たなツールを提供します。このプラットフォームを通じて、研究者らは短時間で患者特異的な疾患モデルを生成し、ASOsの治療効果を検証することが可能となり、希少疾患患者に対してより精密な治療法を提供することができます。

研究のハイライト

1. 効率的な患者由来iPSCs生成プラットフォーム：研究チームは、わずか3週間でiPSCsを生成する方法を開発し、疾患モデルの確立時間を大幅に短縮しました。
2. オルガノイドモデルの幅広い応用：患者由来のオルガノイドモデルを通じて、研究者らは疾患表現型を再現し、ASOsの治療効果を検証することができました。
3. パーソナライズドASOsの開発：研究チームは特定の遺伝子変異を標的としたパーソナライズドASOsを設計し、オルガノイドモデルでその効果を検証しました。
4. 迅速な臨床前評価：このプラットフォームは、短時間でASOsの臨床前評価を完了することができ、希少疾患の治療に新たな可能性を提供します。

その他の価値ある情報

研究チームはまた、このプラットフォームが脳オルガノイドや骨格筋モデルなど、他の疾患モデルにおいても応用可能であることを示しました。これらの結果は、患者由来のオルガノイドモデルがASOsの評価だけでなく、他の薬剤開発やハイスループットスクリーニングにも使用できることを示しています。さらに、研究チームは詳細な実験方法とデータ解析プロセスを提供し、他の研究者にとっての参考資料となっています。

この研究は、希少疾患のパーソナライズド治療に新たなツールと方法を提供し、重要な科学的および応用的価値を持っています。