JPWO2019239760A1 - 薬物応答性評価方法及び薬物応答性評価システム - Google Patents
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Abstract
薬物応答性評価方法は、分化誘導によって作製された心筋様細胞（１８０）を、電極を有する基板（１００）上に載置し（Ｓ１０２）、心筋様細胞（１８０）に薬物を投与し（Ｓ１０４）、薬物が投与された後に、心筋様細胞（１８０）に、電極を介して、所定期間に渡って継続的にパルス電流またはパルス電圧を印加し（Ｓ１０６〜Ｓ１１０）、所定期間の経過後に、心筋様細胞（１８０）の拍動特性を測定し（Ｓ１１２）、拍動特性に基づいて、心筋様細胞（１８０）の薬物に対する応答性を評価する（Ｓ１１４）。
Description
本開示は、薬物に対する心筋様細胞の応答性を評価する薬物応答性評価方法及び薬物応答性評価システムに関する。
医薬品による心毒性は、医薬品の販売中止理由として大きな割合を占める。そこで、医薬品に対する心筋細胞の応答性を正確に評価する技術が求められている。例えば、特許文献１では、薬物を含む液体の流れに曝された心筋細胞集団に強制拍動刺激を与え、その応答から薬物による心毒性の程度を評価する。
しかしながら、分化誘導によって作製された心筋様細胞は、電極を備える基板上で培養された場合に、比較的短期で評価不可能な状態となる。つまり、薬物が投与されていなくても、心筋様細胞が比較的短期で正常な拍動を維持できなくなる。そのため、心筋様細胞の薬物に対する長期的な応答性を評価することが難しく、心筋様細胞を用いて薬物の慢性心毒性検査を行うことが難しい。
そこで、本開示は、分化誘導によって作製された心筋様細胞の薬物に対する長期的な応答性を評価することができる薬物応答性評価方法等を提供する。
本開示の一態様に係る薬物応答性評価方法は、分化誘導によって作製された心筋様細胞を、電極を有する基板上に載置し、前記心筋様細胞に薬物を投与し、前記薬物が投与された後に、前記心筋様細胞に、前記電極を介して、所定期間に渡って継続的にパルス電流またはパルス電圧を印加し、前記所定期間の経過後に、前記心筋様細胞の拍動特性を測定し、前記拍動特性に基づいて、前記心筋様細胞の前記薬物に対する応答性を評価する。
なお、この包括的又は具体的な態様は、装置、システム、集積回路、コンピュータプログラム又はコンピュータ読み取り可能な記録媒体で実現されてもよく、装置、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体は、例えばＣＤ−ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ−Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等の不揮発性の記録媒体を含む。
本開示によれば、分化誘導によって作製された心筋様細胞の薬物に対する長期的な応答性を評価することができる。本開示の一態様における更なる利点および効果は、明細書および図面から明らかにされる。かかる利点および／または効果は、いくつかの実施形態並びに明細書および図面に記載された特徴によってそれぞれ提供されるが、１つまたはそれ以上の同一の特徴を得るために必ずしも全てが提供される必要はない。
以下、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、請求の範囲を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、各図は、必ずしも厳密に図示したものではない。各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略又は簡略化する。
（実施の形態１）
まず、実施の形態１について、図面を参照しながら具体的に説明する。
まず、実施の形態１について、図面を参照しながら具体的に説明する。
［薬物応答性評価システムの構成］
まず、薬物応答性評価システムの全体的な構成について、図１を参照しながら説明する。
まず、薬物応答性評価システムの全体的な構成について、図１を参照しながら説明する。
図１は、実施の形態１に係る薬物応答評価システムの構成を示すブロック図である。薬物応答評価システムは、基板１００と、パルス電流発生器２００と、電位測定装置３００と、制御装置４００と、を備える。
基板１００は、複数の電極を表面に有する。基板１００の表面には、分化誘導によって作製された心筋様細胞が載置され、その心筋様細胞に薬物が投与される。複数の電極は、少なくとも第１電極及び測定電極を含む。なお、基板１００の詳細な構成については、図面を用いて後述する。
心筋様細胞とは、心筋細胞と同様の性質を示す細胞である。例えば、心筋様細胞は、多能性幹細胞から分化誘導によって作製された細胞である。
多能性幹細胞とは、自己複製能及び分化多能性を有する細胞である。多能性幹細胞としては、例えば胚性幹（ＥＳ）細胞、及び、人工多能性幹（ｉＰＳ）細胞を用いることができる。なお、多能性幹細胞の作製技術の進歩又は派生する別技術により、ＥＳ細胞及びｉＰＳ細胞とは異なる多能性幹細胞が登場すれば、その多能性幹細胞が用いられてもよい。なお、心筋様細胞は、多能性幹細胞から分化誘導によって作製された細胞に限定されない。例えば、心筋様細胞は、採取した生体内細胞（例えば心臓線維芽細胞）を人工的に分化誘導することで作製された細胞であってもよい。つまり、心筋様細胞は、多能性幹細胞を経ずに作製された細胞であってもよい。
パルス電流発生器２００は、複数の電極のうちの少なくとも第１電極に電気的に接続され、パルス電流を発生する。その結果、パルス電流発生器２００は、第１電極を介して、心筋様細胞にパルス電流を印加する。
電位測定装置３００は、複数の電極のうちの少なくとも測定電極に電気的に接続され、心筋様細胞の拍動によって生じる細胞外電位の時間変化を測定する。具体的には、電位測定装置３００は、例えば細胞電位測定用のアンプであり、測定電極と基準電極との間の電位差を測定する。
制御装置４００は、プロセッサ４０１及びメモリ４０２を備える。メモリ４０２には、例えばインストラクション又はソフトウェアプログラムが格納される。インストラクション又はソフトウェアプログラムが実行された場合に、プロセッサ４０１は、以下を行う。まず、プロセッサ４０１は、パルス電流発生器２００及び第１電極を介して、薬物が投与された心筋様細胞に所定期間に渡って継続的にパルス電流を印加する。さらに、プロセッサ４０１は、所定期間の経過後に、電位測定装置３００及び測定電極を介して、心筋様細胞の拍動特性を測定する。そして、プロセッサ４０１は、測定された拍動特性に基づいて、所定期間経過後における心筋様細胞の薬物に対する応答性を評価する。
所定期間に渡って継続的にパルス電流を印加するとは、所定期間内のほぼすべてにおいてパルス電流が印加されていることを意味する。なお、所定期間内において一時的にパルス電流の印加が中断されることは許容される。つまり、継続的なパルス電流の印加では、所定期間に比べて比較的短い時間での印加の中断が許容される。
所定期間としては、例えば慢性的な毒性検査に適した期間、つまり比較的長い期間が用いられる。具体的には、所定期間の長さとしては、例えば１６日以上であってよく、または３０日以上であってもよい。
［基板の構成］
次に、実施の形態１に係る基板１００の構成の一例について、図２〜図５を参照しながら具体的に説明する。図２は、実施の形態１に係る基板の平面図である。図２に示すように、基板１００は、ガラス板１と、配線３と、囲い部材１０と、絶縁膜４０と、シリコーン樹脂シート６０と、を備える。
次に、実施の形態１に係る基板１００の構成の一例について、図２〜図５を参照しながら具体的に説明する。図２は、実施の形態１に係る基板の平面図である。図２に示すように、基板１００は、ガラス板１と、配線３と、囲い部材１０と、絶縁膜４０と、シリコーン樹脂シート６０と、を備える。
ガラス板１は、例えば、０．７ミリメートルの厚み及び５０ミリ×５０ミリの２５００平方ミリメートルの面積を有する。ガラス板１の表面には、配線３が形成されている。
各配線３において、一方の端部には電気接点２が形成されており、他方の端部には電極が形成されている。配線３は、例えばフォトレジストを用いて１５０ナノメートルの厚みを有する酸化インジウム錫膜をエッチングすることにより形成できる。
図２では、配線３の数は６８本である。つまり、基板１００は、６８個の電極と６８個の電気接点とを備える。６８個の電極は、１６個の電極セット６と、４個の基準電極４と、を含む。１６個の電極セット６の各々は、４個の電極を含む。なお、電極の数は一例であり、これに限定されない。
絶縁膜４０は、例えば感光性アクリル樹脂からなり、ガラス板１の表面を被覆する。ただし、電気接点２、電極セット６及び基準電極４は、絶縁膜４０で被覆されない。
囲い部材１０は、電極セット６及び基準電極４を含む領域を囲う。ここでは、囲い部材１０は、円形状の壁を形成するガラス部材である。囲い部材１０は、例えば、２２ミリメートの内径、２５ミリメートルの外径、及び１０ミリメートルの高さを有する。
シリコーン樹脂シート６０は、囲い部材１０に囲われた領域内において絶縁膜４０上を被覆する。ただし、電極セット６及び基準電極４の周辺領域は、シリコーン樹脂シート６０で被覆されない。このシリコーン樹脂シートにより、複数の電極セット６の周辺領域の各々が区画される。これにより、複数の電極セット６の周辺領域の各々に載置された心筋様細胞から、他の周辺領域に載置された心筋様細胞の影響を抑制することができる。シリコーン樹脂シート６０は、例えば、約１ミリメートルの膜厚を有し、絶縁膜４０上にシリコーン接着剤を用いて接着される。
ここで、電極セット６及びその周辺領域について、図３を参照しながら説明する。図３は、実施の形態１に係る基板の拡大平面図である。具体的には、図３は、図２の領域Ａの拡大図である。
図３に示されるように、電極セット６の周辺領域は、絶縁膜４０に被覆され、シリコーン樹脂シート６０に被覆されない。なお、電極セット６に含まれる各電極は、絶縁膜４０に被覆されない。つまり、各電極は、基板１００の表面に露出している。
電極セット６は、第１電極３１、第２電極３２及び測定電極３３を含む。第１電極３１及び第２電極３２は、電気接点２を介してパルス電流発生器２００に電気的に接続される。測定電極３３は、電気接点２を介して電位測定装置３００に電気的に接続される。
絶縁膜４０及び電極セット６上には、複数の絶縁性ファイバー５０が所定間隔あけて同一方向に延びている。本実施の形態では、複数の絶縁性ファイバー５０が延びる方向は、基板１００を平面視したときに、第１電極３１と第２電極３２とを通る直線に平行な方向（図３の左右方向）である。なお、ここでは、平行な方向には、厳密に平行な方向に加えて、厳密な平行と実質的に同一とみなせる範囲内の方向が含まれる。
複数の絶縁性ファイバー５０は、細胞適合性を有し、例えば、ポリメチルグルタルイミドからなる。複数の絶縁性ファイバー５０は、例えば複数のナノファイバーがエレクトロスピニング法により表面に形成されたアルミニウムテープを絶縁膜４０及び電極セット６上に押し付けてから剥がすことにより、絶縁膜４０及び電極セット６上に配置することができる。
ここで、電極セット６に含まれる電極（第１電極３１、第２電極３２又は測定電極３３）の構造について図４及び図５を参照しながら具体的に説明する。図４は、実施の形態１に係る第１電極、第２電極又は測定電極の平面図である。図５は、実施の形態１に係る第１電極、第２電極又は測定電極の断面図である。具体的には、図５は、図４のｖ−ｖ断面線における断面図である。
第１電極３１、第２電極３２又は測定電極３３は、配線３の、絶縁膜４０に被覆されていない部分である。第１電極３１、第２電極３２又は測定電極３３の表面は、絶縁性ファイバー５０及び白金黒５で覆われている。白金黒５は、例えばメッキ処理により、配線３の、絶縁膜４０及び絶縁性ファイバー５０に覆われていない部分を覆う。配線３の白金黒５に覆われた部分が電極として機能する。
なお、基準電極４も、電極セット６の各電極と同様の構造を有しており、基板１００の表面に露出している。なお、基準電極４のサイズは、電極セット６の各電極のサイズと異なってもよい。基準電極４は、電位測定装置３００に電気的に接続される。
［薬物応答性評価方法］
このような基板１００を用いて薬物の応答性を評価する方法について、図６〜図９を参照しながら具体的に説明する。図６は、実施の形態１に係る薬物応答性評価方法を示すフローチャートである。図７は、実施の形態１において心筋様細胞が載置された基板の断面図である。なお、図７は、説明用の概略図であり、図２の構成とは厳密には一致しない。
このような基板１００を用いて薬物の応答性を評価する方法について、図６〜図９を参照しながら具体的に説明する。図６は、実施の形態１に係る薬物応答性評価方法を示すフローチャートである。図７は、実施の形態１において心筋様細胞が載置された基板の断面図である。なお、図７は、説明用の概略図であり、図２の構成とは厳密には一致しない。
まず、分化誘導によって作製された心筋様細胞１８０が基板１００上に載置される（Ｓ１０２）。例えば、心筋様細胞１８０を含有する液体培地１８２を調製し、囲い部材１０に囲まれた基板１００上の領域に液体培地１８２を供給することにより、図７に示すように心筋様細胞１８０が基板１００上に載置される。
その結果、第１電極３１の表面、第２電極３２の表面、及び領域Ｃは、心筋様細胞１８０で被覆される。一方、基準電極４の表面は、心筋様細胞１８０で被覆されない。基準電極４は、液体培地１８２に接しており、液体培地１８２の電位を基準電位（ＧＮＤ）に保つ。
次に、心筋様細胞１８０に薬物が投与される（Ｓ１０４）。つまり、心筋様細胞１８０を含む液体培地１８２に薬物が投与される。ここで投与された薬物に対して、心筋様細胞１８０の応答性が評価される。つまり、投与される薬物は、例えば心毒性の評価対象の薬物である。
次に、制御装置４００のプロセッサ４０１は、パルス電流発生器２００にパルス電流を発生させて、心筋様細胞１８０へのパルス電流の印加を開始する（Ｓ１０６）。パルス電流について、図８を参照しながら説明する。図８は、実施の形態１におけるパルス電流の一例を示すグラフである。
パルス電流は、例えば０．３３３秒〜２秒（図８では０．５秒）の周期を有する。１つのパルス電流は正又は負のいずれかである。図８では、まず、負のパルス電流が印加され、連続して正のパルス電流が印加される。負のパルス電流が印加されている間は、心筋様細胞１８０から第１電極３１又は第２電極３２に電流が流れる。一方、正のパルス電流が印加されている間は、第１電極３１又は第２電極３２から心筋様細胞１８０に電流が流れる。
図８において、１つのパルス電流は、例えば０．０５ミリ秒〜４ミリ秒（図８では０．４ミリ秒）の時間長、及び１〜２０マイクロアンペア（図８では６マイクロアンペア）の高さ（すなわち、電流値）を有する。パルス電流の大きさ（すなわち、図８における１つのパルスの面積）は、例えば０．１ナノクーロン以上１．０ナノクーロン以下である。また、第１電極３１又は第２電極３２の面積に対するパルス電流の大きさの比は、例えば０．０４クーロン／平方メートル以上０．４クーロン／平方メートル以下である。負のパルス電流の大きさ（すなわち、図８における負のパルスの面積）は、正のパルス電流の大きさ（すなわち、図８における正のパルスの面積）と一致する。
制御装置４００のプロセッサ４０１は、パルス電流が印加されてから、又は、薬物が投与されてから、所定期間経過したか否かを判定する（Ｓ１０８）。ここで、所定期間経過していない場合（Ｓ１０８のＮｏ）、プロセッサ４０１は、ステップＳ１０８の処理を繰り返す。一方、所定期間経過した場合（Ｓ１０８のＹｅｓ）、プロセッサ４０１は、心筋様細胞１８０へのパルス電流の印加を終了する（Ｓ１１０）。これにより、薬物が投与された後に、心筋様細胞１８０に、所定期間に渡って継続的にパルス電流が印加される。
次に、制御装置４００のプロセッサ４０１は、心筋様細胞１８０の拍動特性を測定する（Ｓ１１２）。具体的には、プロセッサ４０１は、測定電極３３及び基準電極４間の電位差を電位測定装置３００に一定期間測定させることにより、心筋様細胞１８０の拍動に伴う細胞外電位の時間変化を測定する。一定期間としては、例えば１分間程度の期間が用いられる。プロセッサ４０１は、このように測定された細胞外電位の時間変化に基づいて拍動特性を算出する。
拍動特性としては、例えばＦＰＤｃが用いられる。ＦＰＤｃとは、ＩＳＩを用いて補正されたＦＰＤであり、心筋様細胞の状態を評価する指標である。ＩＳＩは、拍動間隔を示し、ＦＰＤは、心筋様細胞が収縮している期間を示す。
ここで、ＦＰＤｃとＦＰＤ及びＩＳＩとの関係について、図９を参照しながら説明する。図９は、心筋様細胞の拍動に伴う細胞外電位の時間変化の典型例を示すグラフである。図９に示すように、ＦＰＤ及びＩＳＩは、ともに、細胞外電位の時間変化から得られる。
具体的には、細胞外電位の時間変化において、ＦＰＤは、大きなピークと小さなピークとの間の時間間隔から得られる。ＩＳＩは、大きなピークの間の時間間隔から得られる。このように細胞外電位の時間変化から得られるＦＰＤ（ミリ秒）及びＩＳＩ（秒）を用いて、ＦＰＤｃ（ミリ秒）は以下の式から算出される。
ＦＰＤｃ＝ＦＰＤ／（ＩＳＩ）１／３
最後に、制御装置４００のプロセッサ４０１は、拍動特性に基づいて、薬物に対する心筋様細胞１８０の応答性を評価する（Ｓ１１４）。例えば、プロセッサ４０１は、薬物が投与されていない心筋様細胞１８０のＦＰＤｃと、薬物が投与された心筋様細胞１８０のＦＰＤｃとに基づいて、薬物に対する心筋様細胞１８０の応答性を評価する。より具体的には、例えば、薬物を未投与の心筋様細胞１８０と薬物を投与済の心筋様細胞１８０との間で、ＦＰＤｃが下限閾値及び上限閾値の範囲内で維持された日数（以下、維持日数という）が比較される。そして、例えば、薬物を投与済の心筋様細胞１８０の維持日数が薬物を未投与の心筋様細胞１８０の維持日数よりも所定日数以上短い場合に、当該薬物が心毒性を有すると判断される。
最後に、制御装置４００のプロセッサ４０１は、拍動特性に基づいて、薬物に対する心筋様細胞１８０の応答性を評価する（Ｓ１１４）。例えば、プロセッサ４０１は、薬物が投与されていない心筋様細胞１８０のＦＰＤｃと、薬物が投与された心筋様細胞１８０のＦＰＤｃとに基づいて、薬物に対する心筋様細胞１８０の応答性を評価する。より具体的には、例えば、薬物を未投与の心筋様細胞１８０と薬物を投与済の心筋様細胞１８０との間で、ＦＰＤｃが下限閾値及び上限閾値の範囲内で維持された日数（以下、維持日数という）が比較される。そして、例えば、薬物を投与済の心筋様細胞１８０の維持日数が薬物を未投与の心筋様細胞１８０の維持日数よりも所定日数以上短い場合に、当該薬物が心毒性を有すると判断される。
［効果等］
以上のように、本実施の形態に係る薬物応答性評価システム及び薬物応答性評価方法によれば、薬物が投与された後に、第１電極３１及び第２電極３２を介して、所定期間に渡って継続的にパルス電流を心筋様細胞１８０に印加することをできる。心筋様細胞１８０の特性は、パルス電流によって長期的に安定化する。したがって、薬物が投与されてから所定期間経過後に、心筋様細胞１８０の薬物に対する応答性を評価する際に、心筋様細胞１８０の時間経過に伴う特性の劣化の影響を抑制することができる。つまり、心筋様細胞１８０の薬物に対する長期的な応答性を評価することが可能となる。
以上のように、本実施の形態に係る薬物応答性評価システム及び薬物応答性評価方法によれば、薬物が投与された後に、第１電極３１及び第２電極３２を介して、所定期間に渡って継続的にパルス電流を心筋様細胞１８０に印加することをできる。心筋様細胞１８０の特性は、パルス電流によって長期的に安定化する。したがって、薬物が投与されてから所定期間経過後に、心筋様細胞１８０の薬物に対する応答性を評価する際に、心筋様細胞１８０の時間経過に伴う特性の劣化の影響を抑制することができる。つまり、心筋様細胞１８０の薬物に対する長期的な応答性を評価することが可能となる。
また、本実施の形態に係る薬物応答性評価システム及び薬物応答性評価方法によれば、パルス電流を継続的に心筋様細胞１８０に印加する所定期間として、３０日以上の期間を用いることができる。これにより、慢性心毒性検査に必要な期間の長さを確保することができ、心筋様細胞１８０を用いて薬物の慢性心毒性検査を行うことが可能となる。
また、本実施の形態に係る薬物応答性評価システム及び薬物応答性評価方法によれば、基板１００は、所定間隔あけて同一方向に延びる複数の絶縁性ファイバー５０を表面に有することができる。したがって、心筋様細胞１８０を絶縁性ファイバー５０が延びる方向に沿って組織化させることができ、心筋様細胞１８０の拍動を活性化させることができる。その結果、絶縁性ファイバー５０が無い場合に比べて、心筋様細胞１８０の特性の劣化を抑制することができ、心筋様細胞１８０の薬物に対するより長期的な応答性を評価することが可能となる。
（実施の形態２）
次に、実施の形態２について説明する。本実施の形態では、薬物が投与される前にもパルス電流が心筋様細胞に印加される点、及び、薬物が投与された後に心筋様細胞にパルス電流が継続的に印加されている期間後だけでなく期間内でも拍動特性が測定される点が主として上記実施の形態１と異なる。以下に、上記実施の形態１と異なる点を中心に、本実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明する。
次に、実施の形態２について説明する。本実施の形態では、薬物が投与される前にもパルス電流が心筋様細胞に印加される点、及び、薬物が投与された後に心筋様細胞にパルス電流が継続的に印加されている期間後だけでなく期間内でも拍動特性が測定される点が主として上記実施の形態１と異なる。以下に、上記実施の形態１と異なる点を中心に、本実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明する。
なお、本実施の形態に係る薬物応答性評価システムの構成は、実施の形態１と実質的に同一であるので、図示及び説明を省略する。
［薬物応答性評価方法］
薬物応答性評価方法について、図１０及び図１１を参照しながら具体的に説明する。図１０は、実施の形態２に係る薬物応答性評価方法を示すフローチャートである。
薬物応答性評価方法について、図１０及び図１１を参照しながら具体的に説明する。図１０は、実施の形態２に係る薬物応答性評価方法を示すフローチャートである。
まず、実施の形態１と同様に、心筋様細胞１８０が基板１００上に載置される（Ｓ１０２）。続いて、制御装置４００のプロセッサ４０１は、パルス電流発生器２００にパルス電流を発生させて、心筋様細胞１８０へのパルス電流の印加を開始する（Ｓ２０２）。例えば、プロセッサ４０１は、心筋様細胞１８０が基板１００上に載置されてから４日後（培養日数４日目）からパルス電流の印加を開始する。パルス電流としては、例えば図８のパルス電流を用いることができる。
制御装置４００のプロセッサ４０１は、パルス電流が印加されてから第１所定期間経過したか否かを判定する（Ｓ２０４）。ここで、第１所定期間経過していない場合（Ｓ２０４のＮｏ）、プロセッサ４０１は、ステップＳ１０８の処理を繰り返す。一方、第１所定期間経過した場合（Ｓ２０４のＹｅｓ）、心筋様細胞１８０を含む液体培地１８２に薬物が投与される（Ｓ２０６）。これにより、薬物が投与される前に、心筋様細胞１８０に、第１所定期間に渡って継続的にパルス電流が印加される。
第１所定期間の長さとしては、心筋様細胞１８０の成熟化に必要な期間の長さが用いられる。例えば、第１所定期間の長さとして、１０日〜１４日が用いられる。
制御装置４００のプロセッサ４０１は、現在が測定タイミングであるか否かを判定する（Ｓ２０８）。例えば、プロセッサ４０１は、現在時刻が所定時刻である場合に現在時刻が測定タイミングであると判定する。また例えば、プロセッサ４０１は、前回の拍動特性の測定（未測定の場合は薬物の投与）からの経過時間が所定時間（例えば１２時間、２４時間、又は４８時間など）である場合に現在が測定タイミングであると判定する。
ここで、現在が測定タイミングであると判定された場合（Ｓ２０８のＹｅｓ）、プロセッサ４０１は、心筋様細胞１８０の第１拍動特性を測定する（Ｓ２１０）。この第１拍動特性の測定の詳細については、図１１を用いて後述する。その後、プロセッサ４０１は、薬物が投与されてから第２所定期間経過したか否かを判定する（Ｓ１０８）。一方、現在が測定タイミングでないと判定された場合（Ｓ２０８のＮｏ）、プロセッサ４０１は、第１拍動特性の測定をスキップして、薬物が投与されてから第２所定期間経過したか否かを判定する（Ｓ１０８）。
ここで、第２所定期間経過していない場合（Ｓ１０８のＮｏ）、ステップＳ２０８に戻る。これにより、第２所定期間内に一定周期で繰り返し心筋様細胞１８０の第１拍動特性が測定される。一方、第２所定期間経過した場合（Ｓ１０８のＹｅｓ）、プロセッサ４０１は、心筋様細胞１８０へのパルス電流の印加を終了する（Ｓ１１０）。これにより、薬物が投与された後に、心筋様細胞１８０に、第２所定期間に渡って継続的にパルス電流が印加される。
次に、制御装置４００のプロセッサ４０１は、心筋様細胞１８０の第２拍動特性を測定する（Ｓ１１２）。さらに、プロセッサ４０１は、第１拍動特性及び第２拍動特性に基づいて、薬物に対する心筋様細胞１８０の応答性を評価する（Ｓ１１４）。
［第１拍動特性の測定処理］
ここで、第１拍動特性の測定処理について、図１１を参照しながら具体的に説明する。図１１は、実施の形態２における第１拍動特性の測定処理を示すフローチャートである。
ここで、第１拍動特性の測定処理について、図１１を参照しながら具体的に説明する。図１１は、実施の形態２における第１拍動特性の測定処理を示すフローチャートである。
まず、制御装置４００のプロセッサ４０１は、パルス電流の印加を一次的に停止する（Ｓ２０４２）。その後、プロセッサ４０１は、心筋様細胞１８０の第１拍動特性を測定する（Ｓ２０４４）。例えば、プロセッサ４０１は、パルス電流の印加を停止した後、心筋様細胞１８０の自発的な拍動が安定するために十分な時間を待ってから第１拍動特性を測定する。心筋様細胞１８０の自発的な拍動が安定するために十分な時間としては、例えば１０分間程度が採用されうる。
それから、制御装置４００のプロセッサ４０１は、パルス電流の印加を再開する（Ｓ２０４３）。このように、第１拍動特性の測定のためにパルス電流の印加が比較的短期間（例えば１１分間程度）一時的に中断された後、パルス電流の印加が再開される。
［効果等］
以上のように、本実施の形態に係る薬物応答性評価システム及び薬物応答性評価方法によれば、第２所定期間内に、心筋様細胞１８０の第１拍動特性を測定することができる。したがって、薬物が投与されてから第２所定期間が経過するまでの間における心筋様細胞１８０の拍動特性の経過を得ることができ、より詳細に心筋様細胞１８０の薬物に対する応答性を評価することができる。
以上のように、本実施の形態に係る薬物応答性評価システム及び薬物応答性評価方法によれば、第２所定期間内に、心筋様細胞１８０の第１拍動特性を測定することができる。したがって、薬物が投与されてから第２所定期間が経過するまでの間における心筋様細胞１８０の拍動特性の経過を得ることができ、より詳細に心筋様細胞１８０の薬物に対する応答性を評価することができる。
また、本実施の形態に係る薬物応答性評価システム及び薬物応答性評価方法によれば、第１拍動特性の測定において、パルス電流の印加を一時的に停止することができる。したがって、第１拍動特性に対するパルス電流の影響を抑制することができ、心筋様細胞１８０の自発的な拍動の特性を測定することができる。
また、本実施の形態に係る薬物応答性評価システム及び薬物応答性評価方法によれば、薬物が投与される前に、心筋様細胞１８０に、第１所定期間に渡って継続的にパルス電流を印加することができる。これにより、心筋様細胞１８０の成熟化を促進することができ、より心筋細胞に近い特性を有する心筋様細胞１８０の薬物に対する応答性を評価することができる。
（実施例）
次に、上記各実施の形態に係る基板を用いて心筋様細胞にパルス電流を印加した実施例について説明する。本実施例では、薬物の投与は行わずに心筋様細胞にパルス電流を印加した。まず、実施条件について説明する。
次に、上記各実施の形態に係る基板を用いて心筋様細胞にパルス電流を印加した実施例について説明する。本実施例では、薬物の投与は行わずに心筋様細胞にパルス電流を印加した。まず、実施条件について説明する。
本実施例では、ヒト由来ｉＰＳ細胞から分化された心筋様細胞を用いた。液体培地としては、心筋様細胞に適した液体培地（心筋様細胞の販売元の説明書に記載されたプロトコルに従って調整された液体培地）を用いた。基板上での心筋様細胞の密度は、１．５×１０４細胞／平方ミリメートルであった。
基板としては、上記実施の形態１で説明した基板から絶縁性ファイバーを除いたものが用いられた。具体的には、第１電極、第２電極及び測定電極の各々のサイズは、１５マイクロメートル×１７０マイクロメートルであった。電極セットに含まれる２つの隣接する電極間の距離は、４ミリメートルであった。基準電極の面積は、２００マイクロメートルであった。
パルス電流は、図８のパルス電流が用いられた。パルス電流は、液体培地を交換する時を除いて、培養日数４日目から３０日目まで心筋様細胞に印加された。
心筋様細胞の拍動に伴う細胞外電位の時間変化は、基準電極と測定電極の間の電位差を１日周期で１分間測定することにより測定された。なお、細胞外電位の時間変化の測定前に、１０分間パルス電流の印加が一時的に停止された。
このように測定された細胞外電位の時間変化から実施例おけるＦＰＤｃが得られた。図１２Ａは、実施例におけるＦＰＤｃのグラフである。図１２Ｂは、比較例におけるＦＰＤｃのグラフである。比較例では、パルス電流が印加されなかった。比較例におけるパルス電流以外の条件は、実施例と同じであった。
図１２Ａ及び図１２Ｂにおける下限閾値及び上限閾値は、薬物応答性評価に利用可能な心筋様細胞のＦＰＤｃの範囲を示す。ここでは、下限閾値及び上限閾値として、それぞれ、３００ミリ秒及び４５０ミリ秒を用いた。
図１２Ａから明らかなように、本実施例では培養日数４日目から３０日目までＦＰＤｃが３００ミリ秒〜４５０ミリ秒の間を維持していた。一方、図１２Ｂから明らかなように、比較例では培養日数に伴いＦＰＤｃが増加し、培養日数１０日目以降で４５０ミリ秒を越えていた。
このように、パルス電流を印加して刺激を加えながら心筋様細胞を培養することで、心筋様細胞の培養日数に伴うＦＰＤｃの増加を抑制し、心筋様細胞の特性を長期（３０日以上）に渡って安定な状態にすることができた。
（他の実施の形態）
以上、本開示の１つまたは複数の態様に係る薬物応答性評価システム及び薬物応答性評価方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、この実施の形態に限定されるものではない。本開示の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本開示の１つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。
以上、本開示の１つまたは複数の態様に係る薬物応答性評価システム及び薬物応答性評価方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、この実施の形態に限定されるものではない。本開示の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本開示の１つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。
例えば、上記各実施の形態では、基板１００の表面に同一方向に延びる複数の絶縁性ファイバー５０が配置されていたが、これに限定されない。例えば、複数の絶縁性ファイバーが延びる方向は、上記各実施の形態における複数の絶縁性ファイバー５０が延びる方向と異なる方向であってもよい。また、基板１００は、絶縁性ファイバー５０を備えなくてもよい。この場合であっても、パルス電流によって心筋様細胞１８０の特性を安定化することができ、心筋様細胞１８０の薬物に対する長期的な応答性を評価することができる。なお、上記各実施の形態では、液体培地１８２の交換について特に説明していないが、液体培地１８２は、一定期間（例えば２日）ごとに交換されてもよい。この場合、交換後の液体培地には、薬物が投与され、液体培地の交換前後で薬物の濃度が一定に保たれる。
なお、上記各実施の形態では、拍動特性としてＦＰＤｃを用いていたが、これに限定されない。例えば、拍動特性として、ＦＰＤが用いられてもよいし、他の特徴量が用いられてもよい。
なお、上記各実施の形態では、図８のパルス電流が用いられていたが、パルス電流はこれに限定されない。例えば、パルス電流の周期、パルス幅、パルス高さ、又はこれらの任意の組合せは、心筋様細胞１８０に応じて調整されてもよい。また、パルス電流に代えて、パルス電圧が用いられてもよい。この場合、パルス電流発生器に代えて、パルス電圧発生器が用いられる。
なお、上記各実施の形態では、基準電極４は、基板１００の表面に設けられていたが、これに限られない。例えば、基準電極４は、囲い部材１０内に領域に供給された液体培地１８２に接するように、囲い部材１０に設けられてもよい。
また、本開示の薬物応答性評価方法には、下記のような実施の形態も含まれる。
分化誘導によって作製された心筋様細胞の拍動特性を取得する取得ステップと、
前記拍動特性に基づいて、前記心筋様細胞の薬物に対する応答性を評価する評価ステップとを含む、
薬物応答性評価方法であって、
前記拍動特性は、
電極を有する基板上に載置された前記心筋様細胞に薬物が投与され、
前記薬物が投与された後に、前記心筋様細胞に、前記電極を介して、所定期間に渡って継続的にパルス電流またはパルス電圧が印加されて測定されたものである、
薬物応答性評価方法。
前記拍動特性に基づいて、前記心筋様細胞の薬物に対する応答性を評価する評価ステップとを含む、
薬物応答性評価方法であって、
前記拍動特性は、
電極を有する基板上に載置された前記心筋様細胞に薬物が投与され、
前記薬物が投与された後に、前記心筋様細胞に、前記電極を介して、所定期間に渡って継続的にパルス電流またはパルス電圧が印加されて測定されたものである、
薬物応答性評価方法。
上記取得ステップと評価ステップとを含む薬物応答性評価方法は、サーバ装置によって実行することができる。例えば、サーバ装置と端末装置とがネットワークを介して接続され、サーバ装置が、端末装置から入力された拍動特性に関する情報について評価処理を行い、評価結果を端末装置に出力するように構成することができる。
本開示は、医薬品の慢性的な心毒性を検査する装置に利用することができる。
１ ガラス板
２ 電気接点
３ 配線
４ 基準電極
５ 白金黒
６ 電極セット
１０ 囲い部材
３１ 第１電極
３２ 第２電極
３３ 測定電極
４０ 絶縁膜
５０ 絶縁性ファイバー
６０ シリコーン樹脂シート
１００ 基板
１８０ 心筋様細胞
１８２ 液体培地
２００ パルス電流発生器
３００ 電位測定装置
４００ 制御装置
４０１ プロセッサ
４０２ メモリ
２ 電気接点
３ 配線
４ 基準電極
５ 白金黒
６ 電極セット
１０ 囲い部材
３１ 第１電極
３２ 第２電極
３３ 測定電極
４０ 絶縁膜
５０ 絶縁性ファイバー
６０ シリコーン樹脂シート
１００ 基板
１８０ 心筋様細胞
１８２ 液体培地
２００ パルス電流発生器
３００ 電位測定装置
４００ 制御装置
４０１ プロセッサ
４０２ メモリ
Claims (9)
- 分化誘導によって作製された心筋様細胞を、電極を有する基板上に載置し、
前記心筋様細胞に薬物を投与し、
前記薬物が投与された後に、前記心筋様細胞に、前記電極を介して、所定期間に渡って継続的にパルス電流またはパルス電圧を印加し、
前記所定期間の経過後に、前記心筋様細胞の拍動特性を測定し、
前記拍動特性に基づいて、前記心筋様細胞の前記薬物に対する応答性を評価する、
薬物応答性評価方法。 - 前記所定期間は、３０日以上の期間である、
請求項１に記載の薬物応答性評価方法。 - 前記拍動特性は、ＦＰＤｃである、
請求項１又は２に記載の薬物応答性評価方法。 - 前記拍動特性は、第２拍動特性であり、
さらに、前記所定期間内に、前記心筋様細胞の第１拍動特性を測定し、
前記第１拍動特性及び前記第２拍動特性に基づいて、前記心筋様細胞の前記薬物に対する応答性を評価する、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の薬物応答性評価方法。 - 前記第１拍動特性の測定において、前記パルス電流または前記パルス電圧の印加を一時的に停止する、
請求項４に記載の薬物応答性評価方法。 - 前記所定期間は、第２所定期間であり、
さらに、前記薬物が投与される前に、前記心筋様細胞に、前記電極を介して、第１所定期間に渡って継続的にパルス電流またはパルス電圧を印加する、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の薬物応答性評価方法。 - 前記心筋様細胞は、多能性幹細胞から分化誘導によって作製された細胞である、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の薬物応答性評価方法。 - 第１電極及び測定電極を含む複数の電極を表面に有する基板を備え、
前記基板の前記表面には、分化誘導によって作製された心筋様細胞であって薬物が投与された心筋様細胞が載置され、
さらに、
前記第１電極に電気的に接続されたパルス電流発生器またはパルス電圧発生器と、
前記測定電極に電気的に接続された電位測定装置と、
プロセッサ及びメモリを有する制御装置と、を備え、
前記プロセッサは、前記メモリを用いて、
前記パルス電流発生器またはパルス電圧発生器及び前記第１電極を介して、前記薬物が投与された前記心筋様細胞に所定期間に渡って継続的にパルス電流またはパルス電圧を印加し、
前記所定期間の経過後に、前記電位測定装置及び前記測定電極を介して、前記心筋様細胞の拍動特性を測定し、
測定された前記拍動特性に基づいて、前記心筋様細胞の前記薬物に対する応答性を評価する、
薬物応答性評価システム。 - 前記基板は、前記表面に、所定間隔あけて同一方向に延びる複数の絶縁性ファイバーを有する、
請求項８に記載の薬物応答性評価システム。
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