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3D皮膚モデルを用いた刺激物質による遺伝子の変化による解析

―動物実験代替法への取り組み― 3D皮膚モデルを用いた刺激物質による遺伝子の変化による解析 ~シェフィールド大学とロート製薬の共同研究~

2021年11月30日

ロート製薬株式会社(本社:大阪市、代表取締役社長:杉本雅史)は、経営統合ビジョン2030「Connect for Well-being」の実現に向け、動物実験代替法を用いた製品・素材評価を積極的に取り入れた研究開発を推進しております。今回、3次元培養皮膚モデルを用いた刺激物質による遺伝子の変化について多変量解析を行った結果に関して、JID innovations(June 2021 Volume 1 Issue 2)に掲載されました。

研究成果のポイント

  • 化学物質によるスティンギング誘発性を評価するのに適した22種の遺伝子マーカーを使用し、化学物質の影響を3次元培養皮膚モデルとヒト皮膚で比較
  • そのうち7種の遺伝子マーカーでの解析において乳酸等の物質についてより簡易的に分類できる可能性

研究の背景

図1: 3次元培養皮膚モデルに化学物質を添加した際のシグナルのイメージ図

スティンギングとは、化粧品等を使用した際に生じるかゆみ、ピリピリ感等、不快な感覚を指します。スティンギングは紅斑や浮腫のような炎症性症状は伴わず、一過性に消失する感覚刺激であり、その発生について詳細はわかっていません。また3次元培養皮膚モデルを用いた化学物質の刺激性の評価は主に細胞毒性によって行われており、ヒトでは炎症が起きない程度の弱い刺激物や感覚的な刺激物に対する評価には更なる改良の余地がありました。我々は、これまでに3次元培養皮膚モデルを用いて、化学物質によるスティンギング誘発性を評価するためのバイオマーカーとして22種の遺伝子セットを発見しました(Toxicology in vitro 2019)。
そこで、今回、シェフィールド大学と共同で、ヒトの皮膚と3次元培養皮膚モデルへの乳酸などの化学物質の影響について、本遺伝子セットを用いて検討を行うこととしました。

結果

今回、ヒトの皮膚と3次元培養皮膚モデルの22種の遺伝子変化について調べたところ、類似している結果が得られました。
さらに、3次元培養皮膚モデルにおいて、乳酸などの化学物質とその他の物質を添加した際の7種の遺伝子の発現の変化についてクラスター解析および主成分分析を行いました。その結果、シンナムアルデヒド(CA)、カプサイシン(CAP)、乳酸(LA)とその他の物質を分類できる可能性が確認できました。

図2:3次元培養皮膚モデルに、各種化学物質を添加した際の、遺伝子発現の多変量解析

【試験方法】
3次元培養皮膚モデルに各種化学物質を添加24時間後に皮膚モデルを回収し、RNAを採取する。7種類の遺伝子(IL-6、PTGS2、ATF3、TRPV3、MAP3KB、HMGB2、MMP-3)の発現についてリアルタイムPCRで確認し、多変量解析を行った。

本研究成果が社会に与える影響(本研究成果の意義)

本研究により3次元培養皮膚モデルを用いて、化学物質等のスティンギング誘発物質の評価系の確立につながり、敏感肌向けの化粧品の評価手法としての応用を期待しております。今後もシェフィールド大学との協働を通して新たな評価技術研究を進め、技術の向上および動物実験削減の一助になればと考えています。

特記事項

本研究成果は、2021年6月1日(月)にオンラインジャーナル「JID Innovations」にて掲載されました。
タイトル:“Determination of Chemical Irritation Potential Using a Defined Gene Signature Set on Tissue-Engineered Human Skin Equivalents”
また、2021年9月6日(月)―9月7日(火)(英国時間)にて行われたBioMedEng21でのposterにて発表しました。
タイトル:“Development of tissue-engineered human skin equivalents to detect stinging potential based on a defined gene set”
なお、本研究は、シェフィールド大学臨床歯学研究科 Helen Colley准教授の協力を得て行われました。

用語説明

  • 細胞毒性
    生きている細胞に何らかの障害を与える性質。細胞の機能や増殖を阻害したり死をもたらしたりする外来の化学物質や、放射線などがもつ性質をいう。生体物質や生体の場合は、細胞障害性ともいう。
  • バイオマーカー
    病気の進行や薬剤の効果など、生体内の生物学的変化を定量的に把握するための指標となる物質。