日本佐贺大学医学部附属再生医学研究中心的中山功一主任和荒井健一特任助教，与该校医学部胸部心脏血管外科的伊藤学助教等人组成的研究团队，利用自主开发的剑山式生物3D打印机技术，开发出了使用培养心肌细胞对药物的心脏毒性进行评价的新方法。与以往的评价方法相比，新方法无需使用特殊装置，仅利用智能手机内置的摄像头和显微镜等较便宜的装置就能轻松地同时分析心肌细胞的跳动节奏和强度。利用人iPS细胞来源的心肌细胞，可以在体外检测以前的动物毒性试验无法检测出来的、只有人体才会产生的特殊心脏毒性，有望为新药开发做出贡献。
图1：技术概要
新药开发要花费漫长的时间和巨额的开发成本，据说一种新药候选最终成功应用于患者的概率为2万分之1。在应用于患者之前要进行各种试验，包括动物实验和针对健康人的用药试验等，然后根据效果和安全性继续推进开发。不过，在动物身上未发现异常的新药候选物质用于人体后经常出现发生严重的副作用现象，从而不得已中止开发。其中约20％是对心脏的副作用，至此在进行人体试验之前的数年里花费的开发成本白白浪费，这是新药开发成本大幅增加的原因之一。因此，需要开发出一种能在早期阶段评价心脏毒性的方法。
利用源自人iPS细胞的心肌细胞，无需直接为人体用药，就能评估利用动物实验无法检测出的人类特异性心脏毒性，对此，各国医学家们开发了各种各样的方法。
目前主流的评估方法采用的是，在嵌入微细电极的特殊培养皿中培养片状心肌细胞并测量电位的昂贵解析装置，可以解析的数据主要是心肌细胞跳动的电位（节奏）。
另一方面，科学家还开发出了几种将心肌细胞与胶原蛋白凝胶等生物材料混合并形成立体结构，然后解析跳动情况的方法。不过，大多数生物材料与药物的亲和性比较高，因此在药物到达心肌细胞前，会先吸附在材料上，可能无法发挥本来的药效。
研究成果
此次的研究团队在10多年前就发现，只需通过视频解析利用剑山式生物3D打印机制作的心肌细胞结构体，就能解析跳动情况，不过，仅对具有均匀表面的心肌细胞结构体进行长时间的视频处理，很难稳定追踪细胞的跳动，因此这种方法无法应用于药效解析。
但刺在剑山针上的心肌细胞结构体每次跳动都会使剑山上的针尖弯曲。因此，通过用自主开发的软件进行视频解析来追踪针尖的动作，能将针的移动量与时间轴一起绘成图，由此可以进行更准确的跳动解析。
研究团队将各种药物用于在剑山上跳动的人iPS心肌细胞结构体上，成功记录到了与以往的解析方法相同的波形。
虽然有些药物只杀死心肌细胞，但利用该方式解析的心肌细胞结构体可以实现其他解析方法在物理上难以实现的病理检查，因此有望实现更详细的副作用解析。
图2：解析方法
图3-1：药物A的用药结果：用药后跳动和节奏增强。清洗后逐渐恢复
图3-2：药物B的用药结果：节奏没有变化，但收缩力下降。清洗后收缩力恢复。
图3-3：药物C的用药结果：节奏没有变化，收缩力逐渐下降，且不会恢复。
图3-4：药物D的用药结果：节奏出现异常（＝心律失常）。
图4：添加药物C后，分别做成切片，并对心肌细胞特异性蛋白质（肌钙蛋白T）进行染色的组织图像：肌钙蛋白T的表达降低（褐色）
论文信息
题目：Drug response analysis for scaffold-free cardiac constructs fabricated using bio-3D printer
期刊：《Scientific Reports》
DOI：nature.com/articles/s41598-020-65681-y
文：JST客观日本编辑部
