成果報告書詳細
管理番号20140000000403
タイトル平成20年度-平成25年度成果報告書 「iPS細胞等幹細胞産業応用促進基盤技術開発 ヒトiPS細胞等幹細胞を用いた創薬スクリーニングシステムの開発」(株式会社LSIメディエンス)
公開日2014/8/5
報告書年度2008 - 2013
委託先名株式会社LSIメディエンス
プロジェクト番号P08030
部署名バイオテクノロジー・医療技術部
和文要約創薬スクリーニングシステムの開発を推進するために次の2つの課題について研究開発を推進する。平成23年度から事業基本計画が変更され、平成22年度までに実施した研究開発項目3「iPS細胞等幹細胞を用いた創薬スクリーニングシステムの開発」を、新たに研究開発項目2「ヒトiPS細胞等幹細胞を用いた創薬スクリーニングシステムの開発」に変更した。具体的には、2-(2)「ヒトiPS 細胞等幹細胞から分化した心筋細胞を用いた創薬スクリーニングシステムの開発」として、細胞外電位法を動作原理とする実用計測チップや波形自動解析プログラムの開発等を含めた創薬スクリーニングシステムの構築を行った。2-(2)-(C) システム評価について、開発したシステムによる薬剤応答の正確性の評価を行い、標準化に必要なデータの蓄積を行った。2-(2)-(d)バリデーション体制構築について、実用機試作機を用いた検討を重ねるなかで、安定した評価データを生産するために必要な項目を検証した。ヒトiPS心筋細胞から安定した細胞外電位測定データを得るためには、温度、湿度、二酸化炭素濃度が安定な実験作業環境を整備する必要があることが判明した。開発システムを用いた波形評価を行う際、化合物あたり約15,000波形から,特定の波形ピークを抽出・解析する必要がある。さらに、取得された大容量の波形データについて、適切に管理・保存するシステムも必要であることが判明した。以上の課題を解決した創薬スクリーニングシステムを実用化するため、操作用インキュベータ、マルチウェル計測チップと計測デバイス、ピーク抽出ソフトウェア及びデータ保管システム、を試作した。構築したシステムは、マルチウェルの計測チップを3枚同時に測定でき、最大24例の検体数を一括に測定可能なシステム仕様となっている。また,高密度培養したiPS細胞由来心筋について安定的な強制刺激下の計測を実現する、刺激電流発生装置および強制刺激実験用計測電極チップも試作した。本開発システムを用いて、催不整脈作用を示すことが知られている化合物や、臨床治験を含めて報告のない陰性対照剤を含め、38種の既知化合物評価について、自律拍動下のヒトiPS細胞由来心筋の応答性について評価した。FPDの延長やSTVの増大、およびearly afterdepolarization (EAD)の発現など、催不整脈作用と相関が議論されている指標について検討したところ,催不整脈作用が知られる化合物において上述の指標からもほぼ同様な作用が示唆された。また、ナトリウムチャネル阻害効果を明瞭にする効果や、ヒトiPS心筋の課題の一つとして挙がっている拍動の不安定性を改善させる効果が期待される、強制刺激下の測定について12種の化合物に関する評価データを取得した。自律拍動下での評価データの傾向はほぼ保たれ、検体間のデータのばらつきを最小化する効果が認められ、より再現性の高い試験系を実現するために寄与することが示唆された。
折しも、安全性薬理領域におけるガイドラインICH S7Bの改訂が心・循環器系の臨床治験のガイドラインICH E14の廃止とともにFDAから提案され、大きな議論が続いている。改訂の核心である、再分極遅延を起因とする薬物性不整脈を予測する評価系として、ヒト幹細胞由来心筋を用いた評価系の妥当性についても議論されている。本プロジェクトが目指す創薬スクリーニングシステムの開発により、ガイドライン試験若しくはそれに準ずる試験系として創薬メーカー等が医薬品開発に活用するための技術基盤は確立されたと考える。
英文要約Title: Development of Safety Pharmacology Screening System by Using Stem Cells such as iPS Cells
(FY2008-FY2013)
FY2013 Annual Report

This report shows results of research and development activities of the project in the fiscal 2013 year. The final year for the project has been terminated and new outcome from each research subject has been obtained. By this year, it has been shown that an effective drug screening system based on the electrophysiological analysis using the multielectrode-arrays (MEA) system was established to assess drug-responsiveness of the cardiomyocytes from iPS cells. In the development of the equipment, primary improvement has been considered from the aspect of throughput ability of the MEA system. For the purpose, multiple-well format recording probes and the compatible accessary devices were produced. To assure the data quality (reproducibility or stability), equipment for measuring cardiomyocytes with stable temperature, moisture, and concentration of carbon dioxide was developed, followed to the development of the detection device for multi-well recording. The equipment enabled to stabilize field potential duration (FPD) and beat rate (BR) of cardiomyocytes during recording, which are primary index for proarrythmic prediction, corresponding to QT duration and heart rate in cardiogram. To analyze approximately 15,000 waveforms should be analyzed and peak-data captured for the evaluation per a compound, analysis software developed enables to save time and laborious task required for analysis.
With the developed evaluation system, 38 known compounds were assessed in the light of drug-responsiveness of iPS-derived cardiomyocytes under cell-autonomous beating condition. Most of the compounds, which are known as proarrythmic, exhibited either of FPD prolongation, increase of STV, or appearance of early afterdepolarization (EAD), which are major proarrythmic symptom in field potential measurement. Data suggest that combination of FPD and STV confine the proarrythmic property of compounds. Furthermore, pacing enables constant beating and uniform amplitude of the 1st peak of waveform from stem cell-derived cardiomyocytes, which contribute to the improvement of data quality of the developed system. Improved probes and attached device for the production of electric power are found effective to save experimental time.
Under the pacing experiments, 12 known compounds were examined, which showed same tendency as those obtained from the experiments under cell-autonomous beating. In the future, pacing is supposed to be the only way for recording because ventricular cardiomyocytes, which is the major specimen of drug-induced proarrythmic evaluation, abolish cell-autonomous beating property.
From 2013, revision of ICH S7B, which defines the test-buttery, has been openly discussed. Use of stem cell-derived cardiomyocytes is also discussed as well as in silico analysis with data obtained from multiple ion channel-expressing cells. The research and development activity provide with the technical fundamentals to apply the evaluation testing for the new guideline.
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