オルガノイドスクリーニングを、終点測定から経時評価へ
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創薬スクリーニングでは、候補化合物を投与した後の生存率や蛍光強度を単一時点で比較するだけでなく、オルガノイドのサイズ、形態、増殖、細胞死、レポーター発現などが「いつ、どのように変化したか」を捉えることが重要です。
Etaluma社のLumascope（ルマスコープ）は、細胞培養インキュベーター内に設置できるコンパクトな倒立型ライブセルイメージングシステムです。明視野・位相差・3色蛍光、タイムラプス、オートフォーカス、Zスタックに対応し、オルガノイドを培養環境から繰り返し取り出すことなく経時観察できます。
なかでも自動XYステージを搭載したLS850は、複数ウェル・複数視野を自動撮影できるため、薬剤、濃度、処理時間、オルガノイドモデルなどの条件を比較する創薬スクリーニングに適しています。
オルガノイドスクリーニングとは
オルガノイドは、幹細胞や組織由来細胞などが3次元的に自己組織化し、元となる組織・臓器の構造や機能の一部を再現する培養モデルです。腸、肝臓、腎臓、肺、脳、膵臓、心臓、腫瘍など、さまざまな組織を対象としたモデルが研究されています。
オルガノイドスクリーニングでは、薬剤や化合物を複数の条件で添加し、薬効、毒性、形態変化、機能変化などを比較します。主な用途は次のとおりです。
候補化合物の薬効評価と優先順位付け
抗がん剤の感受性・耐性評価
肝毒性、腎毒性、心毒性などの安全性評価
疾患表現型を改善する化合物の探索
既存薬の新たな用途を探るドラッグリポジショニング
患者由来オルガノイドを用いた個別薬剤応答研究
分化誘導条件、培地、基質、成長因子などの比較
オルガノイドは、2D細胞培養をすべて置き換えるものではありません。多数の化合物を扱う初期スクリーニングには2D系が適する場合もあります。一方、組織に近い3D構造や細胞間相互作用を含めて候補化合物を比較したい段階では、オルガノイドを用いたフェノタイプスクリーニングや二次評価が有用です。
創薬スクリーニングでオルガノイドが注目される理由
組織に近い3次元環境で薬剤応答を評価できる
2D培養では、細胞が平面上で均一に増殖するため、細胞間相互作用、細胞外基質、酸素・栄養・薬剤の濃度勾配などを十分に再現できないことがあります。オルガノイドでは、3次元構造の中で生じる増殖、分化、細胞死、薬剤浸透などを含めた評価が可能です。
患者・疾患ごとの違いを研究できる
患者由来オルガノイドや疾患特異的iPS細胞由来オルガノイドは、由来組織の遺伝的・表現型的特徴の一部を保持するモデルとして研究されています。複数モデルを同じ条件で比較することで、薬剤感受性の違いや反応の不均一性を調べることができます。
薬効と毒性を画像ベースで多面的に捉えられる
オルガノイドの応答は、生存・死亡の二値だけではありません。増殖速度の低下、構造の崩壊、内腔の変化、分化マーカーの変動、細胞の浸潤や遊走など、さまざまな表現型として現れます。明視野・位相差・蛍光画像を組み合わせることで、候補化合物の作用を複数の指標から評価できます。
経時観察により一過性・遅延性の反応を区別できる
終点測定だけでは、反応が始まった時点や、いったん縮小した後に再増殖した過程を把握できません。同じウェル・同じオルガノイドを継続的に撮影すれば、早期応答、遅延応答、回復、耐性化などの時間的な違いを確認できます。
オルガノイド薬剤スクリーニングで生じやすい課題
観察のたびに培養環境が変化する
一般的な顕微鏡で繰り返し観察する場合、プレートをインキュベーターから取り出して撮影する必要があります。温度やCO₂濃度の変化、振動、移動時間などが、長期培養中のオルガノイドや実験結果に影響する可能性があります。
単一時点の測定では応答過程を捉えにくい
ATP量や蛍光強度などの終点測定は、化合物間の比較に有用です。しかし、同じ最終値であっても、急速に反応したモデルと、徐々に反応したモデルでは生物学的な過程が異なる可能性があります。
3Dサンプルは焦点面と画像解析が複雑になる
オルガノイドには厚みがあり、サイズや形状も均一とは限りません。単一焦点面だけでは全体を捉えにくく、焦点外光、光の散乱、中心部への光の到達、オルガノイド同士の重なりなどが解析に影響します。
ウェル間・個体間のばらつきがある
同じ培養条件でも、オルガノイドの初期サイズ、数、成熟度、形状が異なることがあります。薬剤投与前のベースライン画像を取得し、ウェル単位またはオルガノイド単位で変化率を評価することが重要です。
多検体化すると撮影とデータ管理の負担が増える
ウェル数、視野数、蛍光チャンネル、Z位置、タイムポイントを増やすほど、撮影時間とデータ量は大きくなります。実験目的に合わせて、必要な情報量とスループットのバランスを設計する必要があります。
Etaluma Lumascopeがオルガノイドスクリーニングを支援
1．インキュベーター内で長期間ライブセル観察
Lumascopeは、細胞培養インキュベーター、低酸素チャンバー、安全キャビネットなどの限られたスペースに設置できるコンパクト設計です。オルガノイドを装置上に置いたまま撮影できるため、観察のたびに培養容器を移動する必要を減らし、温度・CO₂環境を維持しながら長期間のタイムラプスを実施できます。
2．位相差・明視野と3色蛍光を組み合わせて評価
位相差・明視野では、染色せずにオルガノイドの輪郭、サイズ、形態、成長、崩壊、発芽、浸潤などを観察できます。さらに、青・緑・赤の3色蛍光を利用し、生存・細胞死マーカー、核染色、蛍光レポーター、分化マーカーなどを組み合わせることで、形態変化と分子・機能的な応答を関連付けられます。
使用予定の蛍光色素・蛍光タンパク質については、Lumascopeの励起・蛍光フィルターとの適合確認が必要です。
3．LS850の自動XYステージで複数ウェル・複数視野を撮影
LS850は、高速自動XYステージ、モーター駆動Zフォーカス、画像ベースのオートフォーカスを搭載しています。マイクロプレート内の複数ウェルや、1ウェル内の複数位置を順番に撮影できるため、次のような比較実験を自動化できます。
複数の候補化合物
薬剤濃度別の用量反応
単剤と併用処理
処理時間の違い
正常組織由来と疾患・腫瘍由来モデル
複数患者由来オルガノイド
培地、基質、成長因子、播種条件の違い
※実際の処理時間と実用的なスループットは、プレート形式、撮影視野数、蛍光チャンネル数、露光時間、オートフォーカス、Zスタック、撮影間隔などによって変わります。
4．Zスタックとタイリングで3Dサンプルを捉えやすく
LS850およびLS820は、モーター駆動ZフォーカスとZスタック撮影に対応しています。複数の焦点面を取得することで、厚みのあるオルガノイドの異なる深さを記録できます。LS850では、複数視野をつなぐタイリングや、任意の観察領域を設定するカスタムROIも利用できます。
5．取得画像を目的に応じた解析フローへ
LS850は、TIFF、OME-TIFF、ImageJ Hyperstackなどの形式で画像データを保存できます。LumaViewProによる撮影に加え、LumaQuant、Fiji/ImageJ、Pythonを用いた独自解析など、研究目的に応じた画像処理・定量化フローを検討できます。
解析方法を固定し、倍率、露光、照明強度、閾値、セグメンテーション条件などを実験群間で統一することが、再現性のある比較には重要です。
画像から評価できる主なスクリーニング指標
評価目的 | 画像で確認・定量化できる指標例 | 主な観察方法 |
|---|---|---|
形成・成長 | 個数、投影面積、相当直径、円形度、成長速度 | 明視野、位相差 |
薬効 | 成長抑制、縮小率、構造崩壊、反応開始時間、再増殖 | 明視野、位相差、タイムラプス |
生存・細胞毒性 | 生存・死細胞シグナル、膜障害、蛍光強度比 | 対応する蛍光プローブ |
アポトーシス | アポトーシスマーカー、核凝縮、形態変化 | 蛍光、位相差 |
分化・機能 | レポーター発現、分化マーカー、機能関連シグナル | 3色蛍光 |
浸潤・遊走 | 発芽数、浸潤面積、浸潤距離、周辺細胞の移動 | 位相差、蛍光、タイムラプス |
応答の不均一性 | オルガノイドごとの変化率、応答群・非応答群の分布 | 多点撮影、画像解析 |
評価できる指標は、オルガノイドの種類、培養方法、標識、画像品質、解析ソフトウェアによって異なります。画像ベースの指標は、ATPアッセイ、遺伝子発現、タンパク質解析、組織染色などの直交的な測定と組み合わせて検証することをおすすめします。
Lumascopeを活用できる創薬・医薬品研究
がんオルガノイドの薬剤感受性評価
腫瘍由来または患者由来オルガノイドに複数の抗がん剤や分子標的薬を添加し、成長抑制、縮小、細胞死、浸潤、再増殖などを経時的に比較します。単一の終点値だけでなく、反応速度やオルガノイド間の不均一性を確認できます。
肝臓・腎臓・心臓などの毒性スクリーニング
正常組織由来またはiPS細胞由来オルガノイドを用い、候補化合物による形態変化、細胞死、機能関連レポーターの変化などを観察します。薬効評価と安全性評価の両方で、ヒト由来3Dモデルを活用する研究に適用できます。
疾患モデルを用いたフェノタイプスクリーニング
神経変性疾患、遺伝性疾患、炎症、感染症などを模倣したオルガノイドを用い、疾患表現型を改善または悪化させる化合物を画像から探索します。形態、細胞分化、レポーター発現、細胞死など、標的分子に限定しない複数の表現型を評価できます。
オルガノイドと免疫細胞の共培養
適切な蛍光標識と培養条件を組み合わせることで、免疫細胞の接近、浸潤、腫瘍オルガノイドの傷害、形態変化などを時系列で観察する実験にも応用できます。
培養条件・アッセイ条件の最適化
本格的なスクリーニングの前に、播種密度、初期サイズ、マトリックス、培地、撮影間隔、露光、蛍光プローブなどを比較し、再現性のあるアッセイ条件を構築します。
オルガノイド創薬スクリーニングの基本的な5ステップ
1．研究目的と評価指標を決める
薬効、毒性、細胞死、分化、浸潤など、何を判定したいかを明確にします。陽性・陰性対照、薬剤濃度、反復数、プレート配置、主要評価項目と補助評価項目を事前に定めます。
2．オルガノイドと撮影条件を標準化する
オルガノイドの由来、初期サイズ、播種数、成熟度、培養日数、マトリックス量などを可能な範囲で統一します。使用するプレート、対物レンズ、観察方法、撮影視野、Z範囲、露光条件を設定します。
3．薬剤投与前のベースラインを取得する
薬剤添加前に各ウェルを撮影し、オルガノイド数、サイズ、形状、蛍光状態を記録します。初期値に対する変化率を用いることで、ウェル間・個体間のばらつきを補正しやすくなります。
4．薬剤投与後をタイムラプス撮影する
薬剤の作用時間と想定する生物学的変化に合わせて、撮影間隔と観察期間を設定します。LS850では、複数ウェル・複数視野・複数チャンネルを自動で巡回しながら経時撮影できます。
5．画像を定量化し、別の測定法で検証する
成長率、縮小率、蛍光強度、細胞死、浸潤距離などを解析し、用量反応や時間依存性を比較します。スクリーニング系として使用する場合は、反復間のばらつき、対照群の分離、CVやZ′ factorなども確認します。必要に応じて、生存率アッセイ、免疫染色、遺伝子発現解析、代謝測定などを組み合わせます。
用途に合わせて選べるLumascope
比較項目 | LS820 | LS850 |
|---|---|---|
XYステージ | 手動 | 電動・自動 |
Zフォーカス | モーター駆動 | モーター駆動 |
オートフォーカス | 対応 | 対応 |
Zスタック | 対応 | 対応 |
観察方法 | 明視野・位相差・3色蛍光 | 明視野・位相差・3色蛍光 |
適したサンプル数 | 定点・少数サンプル | 多点・複数ウェル |
主な用途 | 探索的検討、同一オルガノイドの長期観察、少数条件の比較 | オルガノイドスクリーニング、用量反応、多条件比較、ハイコンテントイメージング |
LS820｜少数サンプルの探索的・定点観察に
LS820は、XY方向が手動で、Z方向のオートフォーカスとZスタックに対応します。特定のオルガノイドや少数条件を長期間追跡する実験、スクリーニング条件を検討する初期段階に適しています。
LS850｜複数ウェルを扱う創薬スクリーニングに
LS850は、自動XYステージ、オートフォーカス、Zスタックを搭載した多点観察モデルです。多数のウェルや複数視野を自動撮影し、薬剤、濃度、モデル、時間の違いを比較するオルガノイドスクリーニングには、LS850を推奨します。
3Dオルガノイド観察で確認しておきたい点
厚いオルガノイド内部の詳細観察には使い分けが必要です
Lumascopeは広視野蛍光顕微鏡です。Zスタックにより異なる焦点面を取得できますが、厚いオルガノイドの深部では焦点外光や光散乱の影響を受ける場合があります。内部構造を高い光学切片性能で詳細に観察する必要がある場合は、共焦点顕微鏡やライトシート顕微鏡との併用を検討します。
「対応ウェル数」と実験上のスループットは同じではありません
多色蛍光、複数視野、細かなZスタック、短い撮影間隔を組み合わせると、撮影時間とデータ量が増えます。必要な表現型を捉えられる最小限の条件から開始し、実験目的に応じて撮影項目を追加する設計が有効です。
培養容器と光学条件の適合確認が必要です
プレート底面の材質・厚さ、ウェル形状、オルガノイドの位置、マトリックスの高さ、対物レンズの作動距離などにより、最適な構成が変わります。使用予定の培養容器とサンプル条件を事前にご共有ください。
イメージングは複合的な評価系の一部です
画像は、オルガノイドの形態と時間変化を非破壊的に捉えられる重要なデータです。一方、薬効や毒性の結論には、画像だけでなく、生化学、分子生物学、組織学などの評価を組み合わせることが重要です。
オルガノイドスクリーニングに適した構成をご提案します
オルガノイドの種類、培養容器、観察期間、ウェル数、蛍光色素、必要な解析指標によって、最適なLumascopeのモデルと光学構成は異なります。
お問い合わせの際に、次の情報をお知らせいただくと、より具体的な構成をご提案できます。
オルガノイドの種類・由来組織・細胞
正常、疾患、腫瘍、患者由来などのモデル区分
使用するプレート、ディッシュ、チップ
オルガノイドのおおよその直径・厚さ
マトリックスや培養方法
撮影するウェル数・1ウェルあたりの視野数
使用予定の蛍光色素・蛍光タンパク質
必要な観察期間・撮影間隔
評価したい形態・蛍光・機能指標
インキュベーターの種類と設置可能スペース
オレンジサイエンスでは、導入前の技術相談、デモンストレーション、対物レンズや蛍光チャンネルの選定、タイムラプス条件の検討まで、研究内容に合わせてサポートします。
よくあるご質問
Lumascopeで生きたオルガノイドを観察できますか？
はい。Lumascopeはインキュベーター内に設置でき、培養環境を維持しながらオルガノイドの明視野・位相差・蛍光タイムラプスを取得できます。培養容器、サンプルの厚さ、対物レンズなどの適合確認が必要です。
創薬スクリーニングにはLS820とLS850のどちらが適していますか？
複数ウェルや複数視野を自動撮影する創薬スクリーニングには、自動XYステージを備えたLS850が適しています。LS820は、特定のオルガノイドや少数条件を定点で長期観察する用途に向いています。
オルガノイドを染色せずに観察できますか？
はい。明視野または位相差を利用して、オルガノイドの輪郭、サイズ、形態、成長、崩壊などを非染色で観察できます。特定の細胞状態や分子マーカーを識別する場合は、蛍光観察を組み合わせます。
複数の蛍光マーカーを使用できますか？
Lumascopeは青・緑・赤の3色蛍光に対応しています。DAPI、Hoechst、FITC、GFP、mCherryなど、一般的な蛍光プローブや蛍光タンパク質を使用できます。実際に使用する色素はフィルタープロファイルとの適合をご確認ください。
厚みのあるオルガノイドを3D観察できますか？
Zスタック機能を利用して複数の焦点面を撮影できます。ただし、Lumascopeは広視野蛍光顕微鏡であり、厚いサンプルの深部では焦点外光や光散乱の影響を受けます。必要な観察深度と解像度によっては、共焦点顕微鏡やライトシート顕微鏡との併用をおすすめします。
ハイスループットな薬剤スクリーニングに対応できますか？
LS850は、自動XYステージによりマイクロプレートの複数ウェルを自動撮影できます。Etaluma社は最大1536ウェルへの対応を説明していますが、実際のスループットは視野数、蛍光チャンネル、露光、オートフォーカス、Zスタック、撮影間隔などにより変わります。
薬剤の効果を定量化できますか？
取得画像から、オルガノイドの投影面積、直径、円形度、成長率、縮小率、蛍光強度、浸潤距離などを解析できます。目的に応じてLumaQuant、Fiji/ImageJ、Pythonなどの解析方法を検討します。解析系は、陽性・陰性対照を用いて妥当性を確認することが重要です。
患者由来オルガノイドの観察にも使用できますか？
培養容器、バイオセーフティ、画像取得条件が適合すれば、患者由来オルガノイドを用いた研究にも使用できます。臨床診断用途ではなく、研究用途として実験計画と所属機関の規程に従ってご使用ください。
ライブセルイメージングだけで薬効を判定できますか？
画像から形態や蛍光応答の時間変化を評価できますが、薬効や毒性の最終判断を画像だけで行うとは限りません。生存率、遺伝子発現、タンパク質、代謝、組織染色などの測定と組み合わせることで、より多面的な評価が可能になります。
etaluma社 ライブセルイメージングシステム Lumascope
エタルマのLumascope（ルマスコープ）は、優れた感度、解像度、ゼロピクセルシフトを備えた、半導体光学の新しいコンセプトで設計された、倒立型小型蛍光顕微鏡です。
そのコンセプトのデザインにより、インキュベーター、ドラフトチャンバーなどの限られたスペースの中で使用でき、幅広いラボウエアでのライブセルイメージングを可能にします。
LS820
LS820 は、現行のモデルにオートフォーカス機能が追加され、低コストでのオートフォーカス3色蛍光観察が可能になりました。ソフトウエアも新しくなり、より簡単に、高画質な画像データの取得ができます。
LS850
LS850 は、現行の自動XYステージのついたLS720全自動モデルの改良版です。新たな位相差技術により、位相差照明をコンパクトにし、オプションのタレットにより、4つの対物レンズを搭載することが可能となりました。
各モデルの詳細は下記からご確認下さい。
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