ラーニングコーナー

2020/02/18

海外でのオルガノイド研究例 毒性試験・3D疾患モデルなど【E-Learning】

  • 用途別細胞培養

「ミニ臓器」とも呼ばれるオルガノイドは、発生生物学、疾患病理学、細胞生物学、再生メカニズム、個別化医療、薬物の毒性および有効性試験を含む幅広いテーマのための研究ツールとして、大きな可能性を秘めています。
たとえば患者由来のオルガノイドは、個別化医療用途における診断ツールとして有用であると証明されています。がんおよび嚢胞性線維症に対する治療の方針決定と効果予測のため、治療前に患者検体由来のオルガノイドが薬剤応答性のin vitroスクリーニングに用いられています(参考文献1-3)。

本稿では、実際にオルガノイドをツールとして開発および活用している海外における研究例をウェビナーやインタビューでご紹介します。

オルガノイド培養とは

過去10年間の幹細胞研究における最もエキサイティングな進歩の1つが、オルガノイドシステムの開発でした。
オルガノイドは臓器の主要な機能の一部を包含する3次元(3D)細胞培養です。これらのin vitro培養系には、対応する器官と同様に空間的に組織される器官特異的な複数の細胞タイプへと分化する自己再生幹細胞集団が含まれています。器官のいくつかの機能を再現できる、生理学的関連性の高いシステムを提供します(参考文献4-7)。

【関連リンク】

オルガノイド専門家によるパネルディスカッション

Organoid Expert Panel

演者

STEMCELL Technologies社のオルガノイド専門家:
John Stingl, PhD (Associate director, Epithelial)
Ryan Conder, PhD (Senior scientist, Intestinal)
Philipp Kramer, PhD (Senior scientist, Intestinal)
Leon Chew, MsC (Scientist, Neuroscience)

講演内容

オルガノイドが研究に対してできることとは?
この徹底的なパネルディスカッションでは、STEMCELLの専門家が研究者から寄せられた質問に答えます。
組織および疾患モデルとしてのオルガノイドの評価、オルガノイド培養のバラつき、そして臨床への橋渡しから応用への将来見通しについて、トピックとして取り上げます。(収録時間52分35秒、2018/8公開)

iPS細胞技術のラボから医療への橋渡しにおける課題

Challenges in Translating iPSC Technology

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(動画の視聴にはSTEMCELL Technologies社ホームページへのログインが必要です)

演者

Cindy Osborn, PhD (CMC/Product Reviewer, Food and Drug Administration)
Kevin D’Amour, PhD (Chief Scientific Officer, ViaCyte, Inc.)
Philipp Kramer, PhD (Senior Scientist, STEMCELL Technologies, Inc.)
Michael Helmrath, PhD (Surgical Director, Cincinnati Children’s Hospital Medical Center)
Kazutoshi Takahashi, PhD (Staff Scientist, Gladstone Institute)

講演内容

James Wells博士が司会するこのパネルディスカッションでは、オルガノイドベースの細胞療法をラボから医療へ橋渡しする際の最大の課題と、これらのテクノロジーを効率的かつ患者優先で市場に投入するために必要なステップについて議論しています。(収録時間41分46秒、2019/6公開)

腸管オルガノイド

腸上皮は急速に再生する組織であり、4〜5日ごとに完全な細胞置換を起こすことができます。このような再生特性により腸管上皮は、上皮再生、成体幹細胞生物学、疾患モデリング、および腫瘍生物学の研究者にとって、腸の内外どちらにおいても魅力的なシステムになります。

創薬スクリーニングための患者由来オルガノイド

Patient-Derived Organoids for Drug Screening and Development

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演者

Dr. Sylvia Boj(Science Director, Hubrecht Organoid Technology (HUB) )

講演内容

オルガノイドの基礎となる生物学、モデルシステムとしての関連性への貢献、および創薬と個別化医療での使用について論じます。
Boj博士は、Hans Clevers研究室のポスドクとして、単離した膵管から育てたオルガノイドを使用して膵管腺癌モデリングのための新規システムを樹立し、特徴付けました。現在はHUBのScience Directorとして、創薬のための新しいプラットフォーム開発を目標としたオルガノイドモデルシステムの特性評価に関わっています。
このアプローチは、嚢胞性線維症の治療効果スクリーニングのために、患者由来オルガノイドを用いてHUBで成功裏に使用されています。(収録時間50分25秒)

ヒト腸オルガノイドを用いた宿主 - 微生物相互作用モデル

Modeling Host-Microbe Interactions Using Human Intestinal Organoids

演者

Dr. Devanjali Dutta (Postdoctoral researcher, Hans Clevers Lab, Hubrecht Institute)

講演内容

宿主と微生物の相互作用を研究する上での普遍的な課題は、in vivoでの感染を再現するのに最適なin vitro培養システムの欠如です。
このバーチャル論文発表では、ヒト腸および肺オルガノイドを用いたクリプトスポリジウム感染症の研究について論じます。クリプトスポリジウムは寄生性原虫であり、下痢の主な原因、そして世界中の子供の主な死因となっています。
Hans Clevers研究室のDutta博士は、どのようにして健康なヒトドナー由来の腸および肺オルガノイドにクリプトスポリジウムを感染させたのかを説明します。彼女らの論文*で、オルガノイドはクリプトスポリジウムやその他の病原性感染症を研究するための生理学的関連性のあるin vitroモデルとして提示されています。(収録時間16分31秒、2019/1公開)
*Heo I, Dutta D et al. (2018) Nat Microbiol. 3(7):814–23.

多能性幹細胞由来オルガノイドを用いたヒト消化管発生と疾患のモデル

Modeling Human Gastrointestinal Development and Disease Using Pluripotent Stem Cells

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演者

Dr. James Wells(Cincinnati Children’s Hospital Medical Center)

講演内容

オルガノイドは、臓器の重要な特徴を示す複数の臓器特異的細胞型に分化する自己再生幹細胞集団を含む3次元(3D)細胞培養です。
異なる組織タイプの共培養などのオルガノイド培養の進歩は、in vivo臓器のモデルとしての有用性をさらに高め、既存の2D培養や動物モデルを補完する便利なプラットフォームを研究者に提供します。
このウェビナーでWells博士は、機能的な腸神経系を含むヒト腸オルガノイドの生成、胃オルガノイドの分化、および腸運動性障害とヘリコバクター・ピロリの胃感染を研究するためのこれらシステムの応用について論じます。(収録時間56分31秒、2017/3公開)

多能性幹細胞由来腸オルガノイドによる小児吸収不良疾患の知識向上

Improving Knowledge of Childhood Malabsorptive Disease with PSC-Derived Intestinal Organoids

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研究者

Heather McCauley, Ph.D. (Postdoctoral Fellow, Cincinnati Children’s Hospital Medical Center)

研究内容

栄養吸収における腸内分泌制御

培地についてのコメント

自家製培地からIntestiCultへの切り替えによって、組織由来の腸管培養物が健康で安定な状態に大きく変化しました。基本的に培地をすぐ使用できる状態にしておくことで、時間を大幅に節約でき、これまでになく良い培養ができています。
インタビュー内容は

新規オルガノイドシステム開発とその潜在的影響

Developing New Organoid Systems and the Potential Impact of the Technology, PhD

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研究者

Jason Spence, Ph.D. (Associate Professor, University of Michigan)

研究内容

発生生物学の理解を活かしたin vitroモデルシステム開発、およびそれを用いた組織発生と未成熟組織の生理学

インタビュー内容は

オルガノイドを用いた腸内栄養吸収の研究

Studying Intestinal Nutrient Absorption with Organoids

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研究者

Tamara Zietek, Ph.D. (Principal Investigator, Technical University of Munich)

研究内容

糖尿病治療ターゲット特定のための、腸内栄養輸送、栄養センシング、インクレチンホルモン分泌の研究

培地についてのコメント

IntestiCultを使用すると、自家製培地と比較してオルガノイド培養がはるかに簡単、迅速、安価になります。

インタビュー内容は

オルガノイドはどのように腸再生と修復モデルを提供するか

How Organoids Provide a Model System for Intestinal Regeneration and Repair

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研究者

Caroline Lindemans, M.D., Ph.D. (Clinician Scientist, University Medical Center)

研究内容

小児骨髄移植、特に移植片対宿主病(GVHD)とその潜在的治療

インタビュー内容は

毒性試験用 腸管オルガノイドアッセイ

Development of a 96-well Assay for Assessing Cell Viability in Mouse Small Intestinal-Derived Organoids After Treatment with Cytotoxic Compounds

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研究者

Jill Brandon et al.(STEMCELL Technologies社)

ポスター内容

創薬における消化管(GI)毒性評価に有用な、マウス腸管オルガノイドを用いた新規96ウェルアッセイの開発と検証

詳しくは

神経(大脳)オルガノイド

大脳オルガノイドとしても知られる神経オルガノイドは、発生中のヒト脳の発達過程と組織化を再現するhPSC由来の3次元in vitro培養システムです。
これらの「ミニ脳」は、ヒト神経系特有の神経発生と疾患プロセスの研究のために、生理学的関連性のあるin vitro 3D脳モデルを提供します。ヒト脳の発生や、自閉症、統合失調症、ジカウイルス感染による脳症などの神経障害の研究に重要な用途があります。

脳オルガノイド技術の進歩とヒト生物学への応用

Advances in Brain Organoid Technologies and their Applications to Human Biology

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演者

Dr. Madeline Lancaster(MRC Laboratory of Molecular Biology)

講演内容

脳オルガノイドを用いて、in vitroで筋収縮を刺激できる長距離神経走行の形成などの、ヒトの生物学的複雑さをモデル化する方法について解説します。
このイベントはSTEMCELLセミナーシリーズの一部であり、英国ケンブリッジで収録されました。(収録時間17分44秒、2019/11公開)

大脳オルガノイド:in vitroでのヒト3D脳疾患モデル

Madeline Lancaster on Brain Organoids: Modeling Human Brain Development in a Dish

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演者

Dr. Madeline Lancaster(MRC Laboratory of Molecular Biology)

講演内容

大脳オルガノイドの技術開発において画期的な仕事をしたLancaster博士がその最新の開発状況を論じ、神経学研究に使用されているさまざまな3Dモデルシステムを比較します。
彼女のラボでは、神経発生と神経疾患の新規in vitroモデルシステムである大脳オルガノイド「ミニ脳」を使用して、ヒト脳の発生に焦点を当てています。そして、ヒトと他の哺乳類の間にある脳発生の最も基本的な違い、つまり本質的に我々をヒトたらしめるものが何かを研究しています。さらに、自閉症や知的障害などの神経発達障害の細胞メカニズム、および潜在的な治療手段についても研究しています。(収録時間47分18秒、2017/9公開)

「ミニ脳」:予想外の発見はどのように画期的プロトコールへとつながったのか

'Mini-Brains': How an Unexpected Discovery Led to a Groundbreaking Protocol

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研究者

Madeline Lancaster, Ph.D. (Principal Investigator, MRC Laboratory of Molecular Biology)

研究内容

ヒト脳発生、および他の哺乳類の脳発生との最も基本的な違い

インタビュー内容は

結節性硬化症の幹細胞由来3次元モデルとしての大脳オルガノイド

Cerebral Organoids as 3D, Stem Cell-Derived Models of Tuberous Sclerosis Complex

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演者

Dr. Juergen Knoblich (Deputy Scientific Director, Institute of Molecular Biotechnology (IMBA) of the Austrian Academy of Sciences)

講演内容

プレプリント(Cerebral organoid model reveals excessive proliferation of human caudal late interneuron progenitors in Tuberous Sclerosis Complex)に発表した研究成果について解説します。16:19~ 幹細胞由来大脳オルガノイドによる結節性硬化症のモデリング。(収録時間43分0秒、2020/4公開)

脳発生・脳疾患研究のための脳オルガノイド

Brains in a Dish: Using Cerebral Organoids to Study Human Brain Development and Disease

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演者

Dr. Oliver Wüseke(IMBA Vienna, Knoblich研究室)

講演内容

「ミニ脳」とは何か?神経発生と疾患の研究にどのように使用されているのか?
Knoblich研究室のポスドクとして大脳オルガノイドを扱うWüseke博士が、大脳オルガノイド分野の概要を説明し、研究者が大脳オルガノイド技術を採用して脳の発生と疾患を研究するにつれて、さまざまな手法と結果が出てきていることを紹介します。
2017年にボストンで開催されたISSCRで収録されました。(収録時間25分30秒、2017/7公開)

小頭症モデルのための、大脳オルガノイドのCRISPR-Cas9遺伝子編集

CRISPR-Cas9 Gene Editing of Cerebral Organoids to Model Microcephaly

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演者

Dr. Leon Chew (Scientist, STEMCELL Technologies社)

講演内容

大脳オルガノイドは、小頭症などの神経発達障害を研究するための生理学的関連性のあるモデルであることが証明されています。Lancaster博士*は小頭症患者由来の大脳オルガノイドが、in vivoの衰弱状態を模倣した欠陥を持つことを示しました。
このバーチャルポスター発表では、小頭症をモデル化するため大脳オルガノイドのゲノム編集を行った研究を紹介します。
どのようにしてCRISPR-Cas9を使用して変異hPSC株を作製し、安定したクローンの細胞品質特性を明らかにし、細胞を大脳オルガノイドに分化させたのかについて説明しています。得られた大脳オルガノイドはLancaster博士*のものより小さい一方で、神経発生に同様の欠陥を持っていました。(収録時間10分8秒、2019/2公開)
*Lancaster MA et al. (2013) Cerebral organoids model human brain development and microcephaly. Nature 501(1): 373–9.

関連リンク

幹細胞におけるCRISPR-Cas9ゲノム編集、および脳オルガノイドの形成

オルガノイドを語る

Dr. Jürgen Knoblich Talks Organoids

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研究者

Jürgen Knoblich, Ph.D. (Deputy Scientific Director, Institute of Molecular Biotechnology (IMBA) of the Austrian Academy of Sciences)

研究内容

大脳オルガノイド分野のリーダーとして、この新技術の開発において画期的な研究を行っており、ヒト脳発生の基本的メカニズムの理解を目指しています。

インタビュー内容は

肺オルガノイド

上皮前駆細胞や間質細胞の単離、ならびに肺の発生に重要なニッチ因子の定義における最近の進歩は、in vitro 3D肺培養システムである肺オルガノイドの確立につながりました。

In vitro肺モデル研究のための、正常ヒト気管支上皮細胞3D培養の最適化

Optimization of Normal Human Bronchial Epithelial Cell 3D Cultures for In Vitro Lung Model Studies

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演者
Rachael E. Rayner, PhD (Postdoctoral researcher, The Ohio State University)

講演内容
呼吸生理学および病理学を適切に研究するには、堅牢で生理学的関連性のあるin vitro肺モデルシステムが必要です。しかしながら、気道上皮細胞を用いて真に分化した気液界面(ALI)培養を行うことは、初代細胞の限られた増殖能と分化能のために困難な場合があります。
このバーチャル論文発表では、3D培養特性を維持しながら初代正常ヒト気管支上皮細胞を拡大培養するため、さまざまな増殖培地の効果を評価します。最適な形態と機能的な結果を得るためには、増殖と分化の培養条件をより厳密に評価する必要があることが強調されています。(収録時間12分13秒)

初代ヒト鼻粘膜上皮細胞を用いた嚢胞性線維症の研究

Studying Cystic Fibrosis Using Primary Human Nasal Epithelial Cells

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演者

Dr. Theo Moraes (Clinician and researcher, The Hospital for Sick Children and the SickKids Research Institute in Toronto, Canada)

講演内容

嚢胞性線維症(CF)は、体内の複数の臓器に影響を及ぼす遺伝性疾患です。主な欠陥は気道にあり、上皮機能障害に関連しています。技術の進歩により、偽重層気道上皮を再現した特殊なin vitro細胞培養モデルを使用してCFを研究することが可能になりました。
このウェビナーでTheo Moraes博士は、鼻粘膜上皮細胞培養を使用してそのような研究を行うことの利点と、CFの個別化医療への影響について詳しく説明します。また、CF Canada, SickKids FoundationとThe Hospital for Sick Childrenが共同で行う嚢胞性線維症個別治療プログラム(CFIT)と、そこで鼻粘膜培養方法論がどのように全国的にアクセス可能なリソースの開発、そしてCF患者の個別療法開発の加速に活用されているかについても論じます 。(収録時間51分30秒)

多能性幹細胞から肺細胞を作る:疾患モデリングと将来の治療

Making Lung Cells from Pluripotent Stem Cells: Disease Modeling and Future Therapies

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演者

Dr. Janet Rossant and Dr. Amy Wong (Hospital for Sick Children, Toronto)

講演内容

ヒト多能性幹細胞(hPSC)は、患者固有細胞の無尽蔵な供給源となる可能性があり、患者固有の初代細胞の限られた利用可能性によってもたらされる多くの機能的および病理学的研究の主な障害を克服します。hPSCを治療ターゲットである成人細胞の機能的特徴を示す特定の細胞型へと分化する方法は、患者固有の疾患モデリング、創薬、個別化医療にとって大きな希望です。近年hPSC由来の気道上皮細胞の分化プロトコールが、肺の発生と再生、ならびに嚢胞性線維症(CF)などの肺疾患の研究を可能にする細胞モデルの可用性を大幅に向上させました。
このウェビナーでは、CF患者固有モデルにおいてhPSC由来肺上皮細胞を使用して肺の発生と疾患を理解するための努力について論じます。(収録時間44分40秒)

工学的アプローチと肺オルガノイド、そして肺再生の理解

An Engineering-Approach and Lung Organoids and Understanding Lung Regeneration

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研究者

Qi Tan, Ph.D. (Postdoctoral Fellow, Tissue Repair and Mechanobiology Laboratory, Mayo Clinic)

研究内容

系列転写因子を用いた遺伝子工学による線維芽細胞の肺胞オルガノイドへの自己組織化、および機能的な組織の統合と再生をサポートするためのiPS細胞を含む複数の細胞ソース由来オルガノイドの移植

インタビュー内容は

新規オルガノイドシステム開発とその潜在的影響

Developing New Organoid Systems and the Potential Impact of the Technology, PhD

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研究者

Jason Spence, Ph.D. (Associate Professor, University of Michigan)

研究内容

発生生物学の理解を活かしたin vitroモデルシステム開発、およびそれを用いた組織発生と未成熟組織の生理学

インタビュー内容は

肺オルガノイドとALIを使用して、肺の複雑な細胞間相互作用を理解する

Using Lung Organoids and ALI to Understand Complex Cellular Interactions in the Lung

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研究者

Joo-Hyeon Lee, Ph.D. (Group Leader, University of Cambridge)

研究内容

肺の損傷修復と再生、成体肺幹細胞とニッチ細胞の挙動と制御ネットワーク

インタビュー内容は

腎臓オルガノイド

腎臓オルガノイドとCRISPRによる疾患の再現

Re-Creating Disease with Kidney Organoids and CRISPR

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演者

Dr. Benjamin Freedman (University of Washington)

講演内容

腎臓オルガノイドとCRISPR-Cas9ゲノム編集を使用して疾患を再現する方法の概要を説明します。
Freedman博士はハーバード大学医学部、Brigham and Women’s Hospital腎臓科の博士研究員として、ヒト多能性幹細胞(hPSC)からネフロン様セグメントを含む腎臓オルガノイドへの分化、およびCRISPRによるオルガノイドへのノックアウト変異の生成などの革新的な技術を生み出してきました。(収録時間74分36秒、2018/7公開)

肝臓オルガノイド

肝臓は解毒、タンパク質合成、代謝、ホルモン産生などの幅広いプロセスに関与する重要な器官です。In vivoでの驚くべき再生能力にもかかわらず、in vitroにおける肝細胞増殖には課題が残されたままでした。
肝上皮をオルガノイドとして増殖することにより、肝臓生物学、疾患モデリング、毒性スクリーニングなど、さまざまな分野の研究のために肝臓細胞の安定した集団を得ることができます。

幹細胞からオルガノイドまで:消化管モデル

From Stem Cells to Organoids: Modeling the Gastrointestinal Tract

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演者

Meritxell Huch, PhD (Junior Group Leader, Gurdon Institute, University of Cambridge)

講演内容

オルガノイドは、臓器の機能モデルとして役割を果たす3次元の多細胞構造です。オルガノイド培養物は、組織特異的な幹細胞/前駆細胞およびヒト多能性幹細胞から得られます。これらの「ミニ臓器」は、疾患モデリング、幹細胞生物学、臨床応用のための便利で生理学的関連性のあるツールとなります。
このウェビナーではHuch博士が、胃、肝臓、膵臓、腸のオルガノイドに焦点を当て、その培養と応用について論じています。(収録時間63分40秒)

生物学の基本原理を理解するため、肝臓と膵臓のオルガノイド専門家に

A Drive to Understand Underlying Biologic Principles Made Her an Expert on Hepatic and Pancreatic Organoids

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研究者

Meritxell Huch, Ph.D. (Principal Investigator, Wellcome Trust/ CRUK Gurdon Institute)

研究内容

臓器再生、肝臓と膵臓の器官特異的疾患モデル開発

インタビュー内容は

肝臓オルガノイドをあなたの研究に取り入れる

Adding Hepatic Organoids to Your Research

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演者

Dr. Charis Segeritz-Walko(Senior Scientist, STEMCELL Technologies社)

講演内容

肝臓オルガノイドは、肝臓研究におけるイノベーションの可能性を広げています。あなたの研究のためにオルガノイドは何ができるでしょう?
このウェビナーでは、肝臓オルガノイドの生物学的特性と実際の研究への応用についてレビューします。オルガノイドとして肝前駆細胞を増殖することで、継代または凍結保存により維持できる遺伝的に正常でBipotentな肝臓細胞集団を生み出し、実験のための肝臓細胞の継続的な供給源とすることができます。(収録時間50分59秒)

ヒト多能性幹細胞からの代謝的に活性な肝細胞の誘導

Derivation of Metabolically Active Hepatocytes from Human Pluripotent Stem Cells

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演者

Dr. David Hay (MRC Centre for Regenerative Medicine, University of Edinburgh)

講演内容

このウェビナーでは、ヒト多能性幹細胞からの胚体内胚葉の誘導と、代謝的に活性な肝細胞へのさらなる分化に関するデータを紹介します。この研究の医薬品開発と細胞療法への応用についても論じています。(収録時間36分59秒)

オルガノイドはどのように肝臓の再生と修復への理解を促しているか

How Organoids are Driving Better Understanding of Liver Regeneration and Repair

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研究者

Luigi Aloia, Ph.D. (Postdoctoral Fellow, The Gurdon Institute, University of Cambridge)

研究内容

肝臓再生、特に成人肝臓の組織損傷における細胞可塑性を促進するエピジェネティックな仕組み

インタビュー内容は

参考文献

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