豚のオルガノイドで腸研究を進める

消化管（GIT）は、食べ物を分解したり、栄養を吸収したり、廃棄物を排出したり、体のバランスを保つために重要なんだ。GITの内壁は、栄養、塩、水などが通り抜けるのを制御することで大事な役割を果たしてる。タイトジャンクションタンパク質っていう特別なタンパク質が、内壁をしっかり保って機能させるのを助けてるんだ。これらのタンパク質は、バリアとしても働くし、物が出入りするための道にもなる。

ゴブレット細胞が作る粘液の層が、内壁を細菌や物理的なダメージから守ってるよ。いろんなチャネルや輸送体が、特定の物質を細胞の中に出入りさせる手助けをしてる。研究者たちは主に動物モデルを使ってGITを研究してて、豚が人間の腸の状態に似てるから人気なんだ。でも、動物を使った研究の倫理に対する懸念が高まってるから、科学者たちは細胞培養のような代替方法に目を向けてる。

#より良いモデルの必要性

細胞株は一部の研究には役立つけど、たいていは一種類の細胞だけに焦点を当ててるんだよね。大腸にはいろんな細胞タイプがあって、それぞれ役割が違うから、研究者たちは2009年からオルガノイドモデルを開発して、これらの違いをよりよく表現しようとしてる。オルガノイドは、いろんな種類の上皮細胞に成長できて、自己再生もできる細胞のクラスターなんだ。二次元の層で育てると、腸がどう機能するかを理解するための貴重な洞察を提供する。

一つの具体的な目的は、豚の大腸オルガノイドが細胞レベルでどう機能してるか、実際の組織と比べて特定の遺伝子をどう表現してるかを調べることだ。この研究では、これらのオルガノイドが物質をどう輸送しているかも分析する予定で、栄養と健康における役割には大事だよ。

#3Dと2Dオルガノイドの作成

3Dオルガノイドを作るために、研究者たちはまず豚の大腸組織から腸のクリプトを取り出す。それをマトリゲルっていう特別なゲルで育てると、オルガノイドが発展するのに適した環境が整うんだ。研究者たちは数日ごとに成長媒体を慎重に変えて、あまり大きくなったクラスターは分解するようにしてる。

2Dオルガノイドを作るためには、確立された3Dオルガノイドを単層に分解する。特定の酵素で処理した後、細胞を数えて特別な細胞培養インサートに置く。研究者たちは2日ごとに媒体を交換して、細胞同士がどれくらい接続を形成しているかを測定するんだ。

#細胞の分析

成長の10日目には、研究者たちは細胞を収集してその特性を分析する。彼らは腸の内壁のバリア機能を維持するために重要なタイトジャンクションタンパク質の遺伝子発現を調べるためにいろんな方法を使ってる。

特定のキットを使って、細胞からRNAを抽出して、特定の遺伝子がどれくらい表現されているかを調べる。2Dオルガノイド培養と大腸の自然組織を比べることで、オルガノイドが実際の組織を正確に反映しているかどうかを確認できるんだ。

#バリア機能のモニタリング

細胞層の健康を評価する一つの方法は、その電気抵抗を測定すること、つまりトランセピテリアル電気抵抗（TEER）なんだ。TEERが高いと、強いバリアを示していて、腸がうまく機能するために必要なんだ。この研究では、TEER値が時間と共に増加して、成長の8日目以降は安定したポイントに達したよ。

電子顕微鏡を使って、層の完全性を視覚的に確認できる。オルガノイド層には、健康な大腸の重要な特徴である、しっかりとした微絨毛と粘液を作るゴブレット細胞が見つかった。

#オルガノイドにおける遺伝子発現

次のステップは、オルガノイドが腸機能に必要な重要な遺伝子を表現しているかどうかを評価することだ。研究者たちは、ナトリウムや塩素などの重要な物質を輸送する遺伝子に注目してる。2Dオルガノイド培養でのこれらの遺伝子の発現は、自然組織と比較しても同等だった。

この類似性は重要で、オルガノイドが栄養の吸収や分泌に関して腸がどう機能するかを研究するために使えることを示してる。粘液の重要な成分であるムチンの遺伝子発現も、オルガノイドと自然組織を比べても特に差は見られなかった。

#輸送生理学の調査

オルガノイド層を通じて物質がどれだけうまく移動するかをさらに調べるために、研究者たちはユッシングチャンバーっていう道具を使った。この方法で、特定の物質を追加したときの電流の変化を測定できるんだ。例えば、オルガノイド層にグルコースを加えると、電流が増加した。これは、グルコースがうまく吸収されていることを示して、ナトリウム-グルコース輸送体の活動を示してる。

研究者たちは、フォルスコリンのような他の物質が電流にどのように影響するかもテストした。フォルスコリンを加えると、電流に大きな変化が見られて、オルガノイドが自然組織の反応を模倣できることを示唆してる。

#アミロリドのナトリウムチャネルへの影響

アミロリドは、ナトリウムが細胞に入るのをブロックする薬だ。研究者たちは、アミロリドの異なる濃度がオルガノイドの電流にどう影響するかをテストした。特定の濃度では、アミロリドが効果的に電流を減少させて、ナトリウムチャネルに影響を与えていることが分かった。

オルガノイドがナトリウム吸収を増強するホルモンであるアルドステロンで前処理されたとき、研究者たちはこれが電流レスポンスを変えるかどうかを見た。しかし、アルドステロンの追加は電流に大きな影響を与えなかった。

#バリア機能の重要性

大腸の上皮層は、何が通過できるかを制御し、有害な物質から守るバリアとして機能する役割がある。オルガノイド層に見られる微絨毛やゴブレット細胞の存在は、健康な大腸で見られるものと一致している。

このバリア機能は、栄養の吸収や感染の予防にとって重要なんだ。観察された遺伝子発現と機能性は、オルガノイドが自然組織と同じように選択的なバリアを維持できることを示唆してる。

#輸送体とチャネルの機能性

輸送タンパク質やチャネルは、大腸の機能に重要な役割を果たしてる。ナトリウムや塩素の輸送体などの特定のタンパク質の発現レベルは、オルガノイドと自然大腸組織の間で一貫してる。この一貫性は、オルガノイドがさらなる研究に使えることを示してる。

研究者たちはユッシングチャンバーを使って、これらの輸送体がオルガノイド培養でどれくらい機能しているかをテストした。オルガノイドは、自然組織と同様にグルコースに反応したけど、反応の程度にはいくつかの違いがあった。

#結論

この研究の目的は、豚の大腸の機能特性を正確に表現するin vitroモデルを作ることだった。結果は、豚の大腸オルガノイドの2D培養が、自然組織と同じように密で健康的な単層を形成できることを示してる。遺伝子発現パターンも似ていて、オルガノイドが研究に適したモデルであることを示している。

この研究は、動物実験を一部の研究プロジェクトで置き換える可能性があることを示していて、動物の使用を減らしたり、置き換えたり、改善することを奨励する倫理原則とも一致してる。これらの発見は、大腸の生理学や病気に関連する今後の研究のためのしっかりした基盤を提供しているよ。