新技術によりヒト神経活動の全ネットワークマッピングが可能に

ノースウェスタン大学およびShirley Ryan AbilityLabの科学者らが率いるチームは、実験室で培養した小型のヒト脳様組織の内部で展開する隠れた電気的対話を「盗み聞き」できる新技術を開発した。柔らかな三次元電子フレームワークが、通気性のあるハイテクメッシュのようにオルガノイドを包み込み、数百個の微小電極によって形状に追従したほぼ完全なカバレッジを実現する。この研究は2月18日付で学術誌Nature Biomedical Engineeringに掲載された。

ヒト神経オルガノイドを研究する科学者は、従来の平坦な電子デバイスが組織の三次元・球状構造にうまく適合しないため、限られた領域からしか活動を記録・刺激できなかった。特定の領域をサンプリングするのではなく、新技術は高密度の三次元インターフェースを提供し、ほぼオルガノイド全体にわたる神経活動のマッピングと操作を可能にする。

「ヒト幹細胞由来オルガノイドは、薬剤や新規治療に対する組織応答を患者別に検討できるため、生物医学研究の主要な焦点となってきた」と、デバイス開発を主導した生体電子工学の先駆者は述べた。「学術界と産業界の研究室は長年にわたりこれらの組織構築物を開発しており、National Institutes of Health (NIH)もこの方向の研究を加速するための資金提供を開始している。欠けている重要な要素は、ヒト体内の臓器の小型アナログであるこれらを解析し、刺激し、操作できるハードウェア技術だ」

「ヒト神経オルガノイドは、電気信号を介して通信する活動性神経回路を含む生きた3D組織である。しかし、それらを研究するために用いる最先端機器はもともと平坦な細胞層向けに設計されており、球状で三次元のオルガノイドとはうまくインターフェースできない」と、オルガノイド開発を主導した研究者は述べた。「オルガノイドの幾何学形状に適合する柔らかな形状整合型エレクトロニクスを作製することで、表面の数百地点から同時に記録し刺激できるようになった。これにより、孤立した信号ではなくネットワーク全体のレベルで神経活動を研究できる」

これと相補的なアプローチとして、Neurobiology of Diseaseに掲載された研究で、Sanford Burnham Prebys Medical Discovery Instituteの研究者らは、University of California San DiegoおよびBioMarin Pharmaceuticalの協力のもと、協調リズムがどのように出現し、化学化合物でニューロンを撹乱した際にどのように応答するかを調べるための、単純化され拡張可能なヒト細胞モデルを開発した。

チームは、induced pluripotent stem cells（誘導多能性幹細胞、iPSCs）由来のヒトニューロンから二次元ネットワークを培養した。科学者らは、多点電極アレイ（multi-electrode arrays）を用いて時間経過に伴うニューロン活動を記録した。これは多数の独立したネットワークを並列にモニターできる微小センサーを埋め込んだプレートである。iPSCsは皮膚や血液サンプルなど入手しやすいドナー細胞から実験室で作製できるため、健常者と患者の双方から大量のヒトニューロンを生み出すことが可能になる。

これらの2Dネットワークが成熟するにつれ、研究者らは「入れ子状振動（nested oscillations）」の出現を観察した。これは、より速いリズム構造がその内部に重なって層状に存在する遅い波である。これらの振動は、脳記録で一般的に見られる周波数帯（delta、theta、alpha）にわたって観察された。

「これらおよび他の実験結果は、この単純化された2D神経ネットワークモデルがネットワーク成熟の主要な特徴を捉えており、系統的な試験に必要なスケールと制御性を与えてくれることを示している」と、同研究の上級・共同責任著者であり、Sanford Burnham PrebysのCenter for Therapeutics Discoveryの准教授、Conrad Prebys Center for Chemical GenomicsのCell Biologyディレクターは述べた。

新たな研究は、2Dネットワークを三次元脳オルガノイドの相補的存在として位置付ける。iPSCsから作製されるオルガノイドは、2D形式では再現が難しい組織アーキテクチャ、細胞多様性、ネットワーク活動の側面を再現し得る。一方で、オルガノイドの複雑さは、特に多数の反復や、多条件にわたる広範な用量–反応試験を必要とする研究において、スケールのある実験実施を難しくすることがある。

「オルガノイドは脳組織化の側面をモデル化するうえで非常に価値がある」と上級著者は述べた。「ここで我々が加えるのは、実験制御性とスループットを重視する相補的な2Dプラットフォームであり、疾患モデリングや早期段階の治療評価におけるベンチマーキングと系統的試験に特に有用となり得る能力だ」

チームの研究の大きな焦点の1つは、GABAによって媒介される抑制性シグナル伝達であった。GABAはGABA作動性ニューロンが産生する神経伝達物質で、ネットワーク活動を安定化し鎮静化するのに役立つ。例えば、この抑制系は睡眠を促進し、発作を防ぐのに寄与する。

チームは、GABA-A受容体拮抗薬によってGABAシグナル伝達を遮断すると入れ子状リズムが減弱し、ネットワーク内のGABA作動性ニューロンの割合を増やすとこれらのリズムがより早期に出現することを見いだした。これらの所見は当該分野の既存エビデンスと一致しており、GABA媒介性抑制が、神経発達および精神疾患のiPSCベースモデルにおける振動の出現と成熟をどのように形作るかに関する追跡研究を支持する。

研究者らはpotassium channelsに影響する薬剤も検討した。これらのタンパク質は、ニューロンが電気信号を生成し伝達する能力、すなわち神経興奮性（neuronal excitability）を規定するのに寄与する。結果は、異なるカリウムチャネルへの撹乱が、リズムの組織化に異なる様式で影響し得ることを示唆し、興奮性は単一のダイヤルのように単純に上げ下げできるものではなく、特異的機序がネットワークレベルで特異的なシグネチャーを持ち得ることを浮き彫りにした。

生きたヒト組織モデルにおいて、ネットワーク全体の脳様活動と薬剤応答を捉えることで、この技術は疾患研究、治療法の検証、次世代の神経再生治療の開発を加速し得る。オルガノイドがNIHの取り組みおよび産業界の創薬開発において重要度を増すなか、記録・刺激技術のこれらの進歩は、脳疾患に対する有効な治療法を開発するための重要なツールを提供する。