タイトル平成20年度-平成25年度成果報告書 健康安心プログラム 「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」(国立大学法人東京医科歯科大学)
報告書年度2008 - 2013
和文要約 致死性不整脈は、薬剤候補を選択し開発する場合の、製薬業界の主要な安全性の懸念の一つとなっている。hERGをトランスフェクトさせたHEK-293/CHO細胞(のhERGアッセイ)、単離された動物組織(APDまたはMAPDアッセイ)および意識下/麻酔下の動物個体(QTまたはMAPDアッセイ)の使用などを統合したアッセイシステムは、現在、QT延長を識別するために使用されているが、それらのアッセイ系が完全に薬剤や薬剤候補によって誘発されるトルサード-ド-ポワント(Torsade de Pointes: TP)や心室細動(VF)などの潜在的な致死性不整脈を正確に予測することはできない。これに関連して、QT間隔以外の致死性不整脈の可能性を区別することができる代理マーカーを緊急に見出す必要性がある。
 われわれは、今回、疑似in vivo心毒性アッセイ系を提案することとした。これは、ヒトiPS / ES細胞由来の心筋細胞とオンチップ技術を組み合わせることで、医薬品開発のための新しい化学物質の心臓毒性について、前臨床とヒト臨床の間のギャップを埋めるためのアッセイツールとして組み合わせて使用される新しいin vitroアッセイ技術プラットフォームである。
 われわれが開発した疑似in vivo心毒性アッセイの提案する潜在的な利点は、1)異なる人種、男女、様々な疾患の患者から作製されたヒトiPS細胞から調製された標準ヒト心筋細胞のセットを使用して理想的なテストパネル-プラットフォームを提供することができること、 2)いくつもの異なる伝導特性を持ったヒト心筋細胞からなるオンチップ細胞ネットワークを用いて、単一細胞レベルのイオンチャネルの時間変動を評価し、また、細胞間の興奮伝導の空間的変動を評価することによって致死的不整脈(TdP/ VT / VF)を予測すること、 3)カルシウム放出と張力の発生との関係を定量的に評価できる機能や、長時間にわたる光/電気同時測定によるイオンチャネルタンパク質の発現阻害との相関関係を評価可能であることである。
 標準の検査法で偽陰性/偽陽性の薬剤やQT延長あり/なしの薬剤など、22薬で評価を行い、時空間でのゆらぎ増大の観点で得られたデータ(東京医科歯科大学)は臨床データと同じ結果を示した。さらに、オンチップ細胞ネットワークループモデルでは化合物の催不整脈性(TdP、VT / VF)リスクを評価するための新規のプラットフォームを提供できることが示唆された。
 これらの成果は、われわれのグループの技術的目的が達成されたことを示しており、新たに開発された疑似in vivoアッセイは企業による適切な工業化戦略によって産業化され準備ができている。
英文要約Lethal arrhythmia has been one of the major safety concerns for the pharmaceutical industry in selecting and developing drug candidates. Integrated assay systems using hERG-transfected HEK-293/CHO-cells (hERG assay), isolated animal tissues (APD or MAPD assay) and conscious and/or anesthetized whole animals (QT or MAPD assay), are currently used to identify QT prolongation, whereas those assay systems are not competent to fully predict the potential lethal arrhythmia such as Torsades de Pointes (TdP) or ventricular fibrillation (Vf) induced by drugs or candidates. In this context, there is a longstanding and urgent need for a surrogate marker that can distinguish the torsadogenic potential from the QT interval duration.

We here propose a quasi-in vivo cardiotoxicity assay, which is a new in-vitro assay technology platform where human iPS/ES cell-derived cardiomyocytes and on-chip technology are combined and used as an assay tool to bridge the gap between pre-clinical studies and human clinical settings in terms of cardiotoxicity of new chemical entities for drug development.

Potential advantages of the proposed strategy of our quasi-in vivo assay include: 1) using a set of standard human cardiomyocytes prepared from human iPS cells of different races, sexes and also from patients with various diseases to provide an ideal testing panel platform; 2) to predict lethal arrhythmia (TdP/VT/Vf) by evaluation of temporal fluctuation of single-cell-level ion channels kinetics, and by evaluation of spatial cell-to-cell conductance fluctuation using the on-chip cell network which can choose different conductance pathways of human cardiomyocytes among neighboring circulations; and 3) the capacity to quantitatively evaluate the correlation between calcium release and tension generation, and the inhibition on the trafficking pathway of ion-channel proteins by its long-term optical/electrical simultaneous measurement.

The data obtained in our group (Tokyo Medical and Dental University) indicates that the torsadogenic potential of 22 QT prolonging and non-QT prolonging drugs including false-negative/false-positive compounds in the current in vitro assays have been predicted correctly by quantitative evaluation of spatiotemporal fluctuation increase. Moreover, we have shown that the on-chip cell network loop model would offer the novel platform to assess the proarrhythmic (not only TdP but also VT/Vf) risks of compounds.

These accomplishments indicate that the technical purpose of our group has been completed, and the newly developed quasi-in vivo assay is ready to be industrialized with proper industrialization strategy by some commercial company.