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COVID-19・コロナウイルス

COVID-19・コロナウイルスは、通常、軽度から中等度の上気道感染症を引き起こす分類のウイルスです。SARS-CoV-2は人獣共通感染症病原体(種を越えて複数の宿主に感染する能力を持つウイルス)であり、COVID-19パンデミックの原因となっていました。このウイルスがどのように拡散し、脆弱な集団に呼吸不全や敗血症を引き起こすかについては、すでに多くの詳細が明らかになっています。しかし、COVID-19をめぐる重要な科学的疑問は未解決のままです:

  • なぜ酸素濃度の低い患者が正常な呼吸を続ける(無症候性低酸素血症)一方で、重篤な呼吸困難となる患者がいるのか?

  • 正常なコンプライアンス肺(L表現型)を持つ患者が、時に高エラスタンス肺(H表現型)に移行するのはなぜか?

  • 患者が医療介入(薬剤、一酸化窒素治療、腹臥位人工呼吸)に反応するかどうかを決定する予測マーカーはあるのか?

  • 複雑で費用のかかる臨床試験を実施する前に、新規の治療法やワクチンをよりよく検証するにはどうすればよいか?

COVID-19の臨床経過を忠実に模倣した前臨床モデルを開発することは、疾患、効果的な治療方を理解するために不可欠です。このようなモデルの開発には多くの課題があります。宿主被験者にSARS-CoV-2を感染させ複製すること、COVID-19の臨床的特徴を開発すること、研究モデルの再現性を確保することなどです。科学においては「すべてのモデルは間違っているが、いくつかのモデルは有用である」ため、正しい問題に答えるためには正しいモデルを開発することが不可欠です。

 

COVID研究にとってもう一つ重要な検討事項は、BSL3にするかしないかです。病原性が高いため、SARS-CoV-2病原体を扱うには動物バイオセーフティレベル3(ABSL-3)の施設が必要です。  BSL-3の実験室では、実験従事者の安全を確保するため、包括的な個人防護具(PPE)と厳格なセキュリティプロトコルが求められます。SARS-CoV-2のような危険な病原体を直接扱うことは、その感染メカニズム、複製プロセス、病態生理学的メカニズムを理解するために必要となります。

 

従来の(BSL-3でない)実験室で働く科学者はSARS-CoV-2を直接扱うことはできませんが、病気の症状を再現するためにさまざまなモデル化技術を利用することができます。サロゲートモデルは、肺損傷や肺炎といったCOVID-19の特定の要素や、一部の患者をCOVID-19に対してより脆弱にする免疫反応の様々な要素を再現することができます。

BSL-3モデル

BSL-3の実験室を利用できる研究者は、COVID-19の研究にさまざまな動物モデルを利用することができます:

マウスモデル

マウスは、科学文献に見られる豊富な参考データ、ゲノムを遺伝子操作できること、コストが安いこと、寿命が短いことなどから、哺乳類の生物医学研究対象として好まれることがよくあります。COVID-19の研究者にとって不都合なことに、感染時にSARS-CoV-2に最初に結合するマウスのACE2レセプターは、ヒトに見られるものとは大きく異なっています。そのため、マウスは免疫系が低下しない限り、あるいは老化モデルを用いない限り、COVID-19の症状を示しません。そのため、マウスをヒト化し、この病気にかかりやすくするためのさまざまな技術に頼っています。

  • アイオワ大学の科学者スタンリー・パールマン博士は、マウスをSARS-CoV-2に感染させる2段階のアプローチを開発しました。マウスはまずヒトACE2レセプターを発現するアデノウイルスにさらされ、次にヒトACE2レセプターに結合するSARS-CoV-2にさらされます。このアデノウイルスはアイオワ大学のウイルスベクターコアから入手可能です。

 

  • パールマン博士が開発したもう1つの方法は、McCray研究室が開発したトランスジェニックマウス(hACE2-マウス)を用いるもので、このマウスはヒトACE2レセプターを発現しており、SARS-CoV-2に脆弱です。これらのマウスはJackson Labsから入手可能です。

 

  • さらに、COVID-19の前臨床研究のために、Charles River Laboratories社によって新しいNCG-hACE2マウスモデルが開発されました。このモデルはCOVID-19に感染した患者のヒト細胞を移植することで機能します。NCG-hACE2マウスはSARS-CoV-2によって引き起こされるサイトカインストームを模倣することができます。

ウイルスに関するますます多くの疑問を解決するためには、これらすべての疾患モデル化技術を組み合わせる必要があります。

ゴールデンシリアンハムスター

ハムスターはCOVID-19との闘いにおいて急速に重要な味方になりつつあります。SARS-CoV-2に暴露されたハムスターの重要なスクリーニング評価項目は、感染による体重減少(15-20%)、ウイルス量、剖検時の肺重量、嗜眠、呼吸パターンの変化などです。さらに、罹患したハムスターは常に同居していたナイーブハムスターに感染しました。感染したハムスターはすべて最終的に病気から回復し、抗体を獲得しました。このハムスターモデルは、科学者が求めているウイルス増殖の特徴や臨床症状の多くを再現しており、COVID-19の研究室での普及が進むと思われます。

大型動物モデル(ラット、フェレット、NHP)

COVID-19との闘いには、ラット、フェレット、ブタ、霊長類など、他の多数の研究モデルが関与する可能性が高いと考えられます。

  • ラットはSARS-CoV-2病原体に対する親和性が低いものの、同様のACE2レセプターを持っているため、感染症研究においてマウスモデルより有利な点は限られています。特筆すべき例外は、ラットの方が被験体が大きいため、実験中に多くの生物学的サンプルを採取できることです。

 

  • 一方、フェレットはSARS-CoV-2ウイルスが肺と腸で複製され、隣接するケージにウイルスを感染させることが示されているので、有望なモデルです。現在のところ、フェレットモデルでは、よりヒトに近い呼吸生理学にもかかわらず、COVID-19の明白な臨床症状は確認されていません。フェレットの気道樹はマウスよりも世代数が多く、咳やくしゃみをすることができます。

 

  • 非ヒト霊長類(NHP)は、ヒトに存在する生物学的経路の多くを共有しており、生物製剤やワクチンの開発にとって重要なモデルであるため、感染症研究にとって非常に貴重です。しかし、生命科学研究への霊長類の利用は、倫理的配慮、限られた利用可能性、コストなどの理由から、一部の高度に専門化されたセンターに限られています。

米国国立衛生研究所(NIH)のAccelerating COVID-19 Therapeutic Interventions and Vaccines(ACTIV)前臨床ワーキンググループは最近、動物モデル概要表を作成しました。以下はマウスモデルを中心とした表からの抜粋です。他の小動物モデルを含む全表はこちらから。

COVID-19研究用マウスモデル

表はNIH National Center for Advancing Translational Sciencesより抜粋。(2021年5月25日アクセス)

非BSL-3モデル

代理モデルは免疫経路の同定、薬物標的の特定、新規治療戦略の評価に役立ちます。従来の研究室で働く科学者も、COVID-19の併存疾患(糖尿病、肥満、人工呼吸器誘発性肺損傷、細菌感染など)をモデル化し、臨床診療の指針となり、生命を救う洞察を開発することができます。

急性呼吸窮迫症候群(ARDS)のLPSモデル

COVID-19関連死の70%は呼吸不全に起因すると推定されています。そのため、ARDSのマウスモデルは確実に普及し、COVID-19研究に利用されるようになるだろうと予想されています。リポ多糖(LPS)の投与は、気管内投与、全身投与、口腔咽頭投与にかかわらず、げっ歯類における急性肺炎とARDSの最も一般的なモデルの一つです。一次的なLPS刺激だけでなく、研究者たちは、病気を悪化させ、ヒトの病態生理をよりよく再現するために、長時間の人工呼吸や傷害的な人工呼吸などの刺激を加えることがあります。

 

LPSモデル研究にさまざまな系統のマウスを用いていますが、この分野で最も広く発表されているのはC57BL/6です。LPSモデルは、急性肺傷害の治癒に関与する免疫経路に光を当て、肺への長期的損傷を最小限に抑える治療的介入戦略や換気戦略の開発に貢献してきました。さまざまなノックアウトマウスで包括的な血行動態と肺力学的パラメーターを組み合わせることを可能にしたLPSモデルは、その主役であるSARS-CoV-2が関与していなくても、COVID-19の最も重要な謎のいくつかを解明するのに貢献する可能性があります。

インフルエンザ感染モデル

コロナウイルスはインフルエンザウイルスとはかなり異なります。しかし、どちらの病原体も宿主に顕著な反応を引き起こし、ARDSを引き起こし、場合によっては死に至ることもあります。インフルエンザA株H1N1のin vivo実験では、BSL-3の設備は必要とされていません。急性肺傷害のインフルエンザモデルとCOVID-19の病態の理解が深まれば、ウイルス性ARDSに関する新たな知見や、自然免疫反応と獲得免疫反応をどのようにモニターしてリスクのある患者を同定し、患者の生存率を向上させるためにどのように調整できるかが明らかになる可能性があります。

 

適切な研究モデルが開発されれば、次の課題はヒトに外挿できる貴重な生物学的情報を抽出することです。肺機能のような臨床的に重要な生理学的結果を測定することは、特に小型のげっ歯類で測定する場合には困難な場合があります。SCIREQは、世界中の科学者や臨床医に広めることができる貴重な情報を生み出す予測結果を、専門家でなくても取得できるよう、多くの機器を提供しています。

flexiVent

flexiVent

疾患モデリング、トランスレーショナルアウトカム、ドラッグデリバリー

flexiVentはCOVID-19の前臨床実験に高度に適応した先進的な肺研究プラットフォームです。flexiVentは、SARS-CoV-2感染動物、LPS誘発ARDSモデル、遺伝子ノックアウト、治療群における詳細な肺機能結果を測定し、科学者がヒトの生物学を忠実に再現した複雑な生物で仮説を検証することを可能にします。ソフトウェアの自動化によって実験条件が標準化され、最高レベルの再現性が実現されるとともに、包括的なレポートが作成されるため、研究コミュニティに科学的知見を容易に広めることができます。

信頼性の高い疾患モデルと治療介入法の作成

flexiVentのコンピュータプログラム可能な人工呼吸器設計、スクリプト機能、エアロゾル供給機能は、多くのARDS実験の基礎となっています。まず、flexiVentはエアロジェンネブライザーの作動を吸気サイクルに同期させ、薬剤、LPS、エラスターゼ、ブレオマイシンなどのエアロゾル化化合物を挿管した被験者の肺の奥深くまで正確に送り込むことができます。この人工呼吸器補助エアロゾル送達は、気管内注入よりも再現性が高く、均一な沈着プロファイルを提供します。flexiVentはさらに、ARDSや人工呼吸器誘発性肺損傷の臨床症状を動物で再現するために、さまざまな傷害的あるいは保護的換気モード(低・高タイドボリューム、低PEEPなど)を適用することができます。

包括的な肺機能評価

適切なモデルが作成されたら、COVIDの臨床症状と進行の相関を、トランスレーショナルに測定することが鍵となります。上述したように、この病気にはL型とH型という2つの表現型があり、それぞれに特異的な特徴があることが報告されつつあります。L型には、低エラスタンス、低肺重量、低ガス交換が含まれ、肺はほぼ正常な拡張性を示しますが、患者は重度の低酸素血症を示します。H型には、高エラスタンス、高肺重量、高換気量が含まれ、重症の急性呼吸窮迫症候群(ARDS)の特徴をすべて示します。

 

flexiVentは強制振動法(FOT)を用いて、さまざまな被検体(マウス、ハムスター、ラット、フェレット)の肺と気道の力学的特性を定量的に測定します。COVID-19疾患モデルを表現するために、臨床的に関連性の高い呼吸力学的結果を数多く提供します:

  • 静的コンプライアンスと呼吸負荷の結果は、外来病原体や浮腫によって影響を受ける可能性のある実質の拡張性を調べます。静的コンプライアンスと呼吸仕事は、COVID-19に存在する正常なコンプライアンス肺(L表現型)と高エラストンス表現型(H表現型)を識別するのに役立ちます。

 

  • 広帯域周波数測定は、ウイルスによって引き起こされた病態生理学的変化を肺の中枢と末梢に関連づけることができ、科学者たちが観察結果を整理するのに役立ちます。肺実質に浮腫が生じると、これらの結果は、気道の伝導性に比べて不釣り合いな影響を受けます。

 

  • 肺抵抗の測定は、感染者が肺に空気を出し入れすることを困難にする肺の閉塞や気道狭窄を特定します。

  • 気道過敏性(AHR)は抗原に対する感受性と免疫系の過度の反応を追跡します。

  • 肺活量操作とスパイロメトリーの結果は、息切れなどの生理学的変化や治療の影響に関するさらなる洞察を提供します。

  • 血中酸素濃度(SPO2)は、臨床医や医療従事者が綿密に追跡しているパラメータであり、データ収集時に監視装置を使用して経時的変化を追跡・記録することで、ソフトウェアにシームレスに統合されています。

  • 臨床医はCTスキャナーを使って患者の肺重量を測定しますが、動物実験でも同様のことが可能です。高分解能画像の取得は、構造物が小さいことと、アーチファクトを発生させる呼吸器系の絶え間ない動きのために、技術的にはより困難となります。flexiVentのプログラム可能な側面は、息止め中の画像撮影を可能にすることで高度なゲーティング技術を可能にし、画像のコントラストと解像度を大幅に向上させます。

これらの結果を組み合わせることで、被験者の呼吸器系を360度見渡すことができ、疾患進行のメカニズム的理解を深めたり、特定の遺伝子型やエンドタイプの影響を評価したり、新しい治療戦略をテストしたりするのに役立ちます。

inExpose

再現性のあるin vivo吸入

COVID-19では、SARS-CoV-2ウイルスは一般的に鼻上皮に感染してから末梢肺に広がり、肺上皮細胞に感染して宿主の肺機能を障害します。inExposeは、in vivoおよびin vitroでのエアロゾル曝露を自動化、高精度、反復可能にするコンピューター制御の吸入プラットフォームです。このシステムには、エアロゾル発生装置(ネブライザー、ドライパウダー発生装置など)、大気モニタリングオプション、in vivo/in vitro暴露部位(鼻のみ暴露、全身暴露、空気/液体暴露モデルなど)など、従来は複雑であった吸入試験を簡素化および自動化するために必要なコンポーネントがすべて統合されています。

 

システムの内部容積が小さいため、ランプアップ時間が短縮され、in vivoおよびin vitroでの前臨床試験エアロゾル暴露に必要な試験品の量が最小限に抑えられます。

 

本システムは、エアロゾル発生装置(ネブライザー、ドライパウダージェネレーターなど)、大気モニタリングオプション、in vivo/in vitro暴露部位(鼻のみ暴露、全身暴露、空気/液体暴露モデルなど)など、従来複雑であった吸入試験を簡素化・自動化するために必要なすべてのコンポーネントを統合しています。システムの内部容積が小さいため、ランプアップ時間が短縮され、前臨床試験に必要な試験品の量が最小限に抑えられます。

vivoFlow

意識的換気パラメーター

全身プレチスモグラフ

呼吸困難はCOVID-19の特徴であり、特に臨床経過が悪化した患者において顕著です。 これらの患者の場合、息切れは典型的には発病4日目から8日目の間に起こり、時には嗅覚の喪失を伴います。 呼吸パターンの変化は、ハムスター、トランスジェニックマウス、コロナウイルスに感染した他の種を対象とした研究でも報告されています。

 

呼吸パターンは、プレチスモグラフと呼ばれる機器を用いて前臨床被験者で定量的に測定することができます。プレチスモグラフは、麻酔薬の影響を受けない、意識のある自由に動く動物の研究を可能にします。したがって脈波計は、肺と神経系の両方に依存する呼吸駆動の研究に適しています。高度な呼吸パターン解析ソフトウェアと組み合わせることで、プレチスモグラフは、呼吸回数、潮容積の推定値、不自然な呼吸と相関するその他の指標(例:penh)など、いくつかの呼吸の結果を提供します。

 

意識的な測定は、実験条件を同じ程度に標準化できないため、侵襲的な実験(フレキシベントなど)よりも本質的に変動が大きくなります。プレチスモグラフに基づく分析は、よりメカニズ ム的な、しかし侵襲的な呼吸メカニクスの測定でフォロー アップされることが多いです。 したがって、非侵襲的手法と侵襲的手法は非常に相補的であり、呼吸駆動と肺の力学的特性を特徴付けるために組み合わせることができます。

expoCube

In vitro吸入暴露

多くの薬理学者は、COVID-19患者を薬剤、ワクチン、抗体で治療するための吸入製剤に注目しています。吸入経路は、その効率を最大化するために感染部位に未変化の薬剤を沈着させること、他の臓器における望ましくない副作用を避けるために全身への曝露を減らすこと、そして非侵襲的な送達といった有益な特徴をもたらします。残念なことに、吸入薬の開発にはモデリング上の困難と高い開発コストがつきまとい、呼吸器系への薬剤の普及は限られています。

 

SCIREQとフラウンホーファーITEMは、吸入科学者のためのより良い研究機器を開発するために協力しました。ExpoCubeにより、研究者は気液界面で培養された様々な細胞(A549、Calu-3、初代ヒト気管支上皮細胞など)や組織(PCLSなど)に対する薬剤やその他の浮遊粒子の影響を研究することができます。ExpoCubeの革新的なデザインは、非常に効率的で、再現性が高く、トランスレーショナルなエアロゾル沈着プロファイルを可能にします。したがって、呼吸器系化合物の効能と毒性を調べ、生理学的に適切なモデルでin vitroとin vivoの相関関係を確立することができます。

デジタルテレメトリー

外来被験者の発熱、生体電位、その他の生理学的結果の評価

COVID-19やその他の感染症は複数の臓器系に影響を及ぼし、多くの場合、それに対応する発熱を伴います。デジタルテレメトリーは、小動物モデルから大動物モデルまで、全身への影響や介入に対する反応をモニターすることで、感染症の理解を促進します。

 

最近のインタビューの中で、ラブレス・バイオメディカル研究所のブレント・バレ氏は、テレメトリーとプレチスモグラフィーを使って体温発熱をモニターし、呼吸困難のモニターに呼吸器系アウトカムを使用する、現在のSARS-CoV-2研究について説明しています。

 

これらのテレメトリーシステムは、標準的な実験室にも、より厳格なBSL-3/BSL-4施設にも適しています。Lewine博士のグループは、被曝後のNMDA受容体拮抗薬ケタミンの神経保護効果を調べました。rodentPACKを用いて発作、痙攣、発作間スパイクを定量化するために、脳波信号を同期ビデオで撮影し、この治療法の保護メカニズムを示しました。Saxena博士のグループは、神経剤対策として有効であることが証明されている血清由来のヒトブチリルコリンエステラーゼが、高用量のサリン蒸気の毒性作用からミニブタを保護する能力を調査しました。 ecgAUTO解析ソフトウェアにより、サリンによる心臓異常に関連するECG間隔の変化を評価しました。

emka Technology社は、1992年にフランスで設立され、当初は、アイソレーテッドオーガンバスやランゲンドルフ灌流装置を開発、製造しており、2000年には非侵襲性のテレメトリーをリリース、2014年には、SCIREQ社(カナダ)をグループに入れることにより、呼吸器研究用機器を製品ポートフォリオに加え、幅広い分野の機器を、世界の研究者の方々に提供しています。

 

オレンジサイエンスはemka TECHNOLOGIESの日本総代理店です。日本国内で展開される様々な研究プロジェクトを支え、研究者の皆様がより効果的かつ効率的に研究を進められるよう、迅速で専門的なサポートを提供しています。

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​​主な製品

  • マウス・ラット用テレメトリー

  • ジャケットテレメトリー

  • オーガンバス

  • ランゲンドルフ

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​​主な製品

  • マウス・ラット肺機能測定装置

  • マウス・ラット呼吸測定装置

  • 吸入暴露装置

  • ​細胞暴露装置

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