FUTURE組織染色サービスを事業化FACE研究開発に夢や希望は抱かない。日本では高齢化・生活習慣の変化に伴ってがんによる患者数・死者数が増加傾向にあり、現在、がんは日本人の死因の第1位となっています。総合研究開発」(2010~2014年度)を実施しました。その中でコニカミノルタ株式会社は、がんの進行度の確定診断や、治療薬の選択の精度を高めることを目的に、東北大学との共同研究により、現在、同社が「QuanticellR」の名称で提供している組織染色サービスの基盤技術を開発しました。Dots)」は、組織切片中の病気などの指標分子を、高精度かつ定量的に検出することができる組織染色用の粒子で、従来の蛍光組織染色技術が抱えていた、検出色素の輝度や感度、定量性が低い、退色するといった課題を解決しています。この成果は組織染色サービスとして展開され、診断が困難な病気の早期発見や治療薬開発への貢献が期待されています。病理組織の診断技術を変える高輝度材料の開発コニカミノルタ株式会社は、大手写真フイルムメーカーとして知られていたコニカ株式会社と、オートフォーカス一眼レフカメラでトップメーカーになったこともあるミノルタ株式会社が、2003年に経営統合してできた企業です。システムといった画像診断技術で、さまざまな疾患の早期診断・発見に貢献してきました。近年は、DNAやタンパク質など、より微細なものを可視化するイメージング技術の開発に力を入れています。2006年当時、コニカミノルタのヘルスケア部門では、次にどのような分野の研究開発に取り組むかを検討していました。その前年にデジタルX線画像診断用のX線検出器の開発に成功、国内外で高く評価された中、デジタルX線画像診断に続く新事業を生み出すことが求められていました。)は、蛍光材料を使ったバイオ分野の画像診断という、新しいヘルスケア事業を立ち上げられないかと考えていました。中野さんは「画像の画質を決めるのに重要なのはシグナル信号値の大きさです。蛍光体の発光量をできるだけ大きくすることはシステム上、大きなメリットがあります」と話します。「明るければいい、というのは実に単純な発想ですが、X線検出器の開発過程で行き着いた考えです。大内憲明教授(現:名誉教授)や権田幸祐教授との共同研究も始めました。医療現場では、病理切片内の分子を可視化するために、免疫組織化学法(詳細は「なるほど基礎知識」参照)という手法が診断や治療法の選択のために使われていました。この免疫組織化学法では、主に「DAB染色」という組織染色法が用いられます。「DAB染色」では、病気の指標となるタンパク質に、抗原抗体反応を介して目印を付けた後、酵素反応で茶色に染色します。病理診断医はその発色の強度や面積などの情報から病状を判断して治療法を決めるのです。この染色方法では指標タンパク質の量を分析するにも、染色の仕組み上、定量的な情報が得られないという課題がありました。グループリーダーの高橋優さんは、「治療方針を決める病理組織の免疫組織化学法では、病気の指標となる物質の量を判断するのに『多い』『中程度』『少ない』といった、定性的な基準が使われていることに驚きました」と話します。東北大学病院の病理診断技術開発の研究メンバーに相談したところ、賛同を得ました。医療現場での応用方法も見つかり、本社からも東北大学からも実用化へ大きな期待が寄せられた一方で、研究を続けても思うような成果はなかなか得られませんでした。研究開発開始から3年目を迎える頃には、コニカミノルタは大きな方向転換を迫られることになりました。中野さんは、「当時は無機材料で作る蛍光ナノ粒子の『量子ドット』で研究開発を進めていましたが、良い結果は一向に得られませんでした。そこで、有機合成ができる研究メンバーに、何かいい発光材料はないかと相談し、実験を進めたところ、1週間ほどで、有機材料の蛍光ナノ粒子を作ることができたのです」と話します。病理診断科部長)も「こんな明るい粒子は見たことがない」と驚くほどまでに性能が向上しました。研究開発」に応募し、採択されました。高橋さんは、「NEDOプロジェクトへの採択は、研究開発費が確保できたというメリットがあっただけではありませんでした」と話します。「NEDOに認められたことで社内評価の風向きが変わり、研究開発が進めやすくなりました。Dots)」(詳細は「なるほど基礎知識」参照)を用いた、高輝度で定量的、退色し難い、病理組織の蛍光イメージング技術の開発が、コニカミノルタと東北大学の共同研究により進められました。開発の対象となった「蛍光イメージング技術」は、病気などの指標タンパク質に蛍光の目印(この場合はPID)を付け、指標タンパク質の量や分布を調べるのに使われる技術です。この技術を使った多くの場合、指標タンパク質の量は、光学装置が検出する「蛍光強度値」を基に算出されていました。この値は光学装置によって変わってしまうため、目標とする「定量性」を実現するには問題がありました。そこで、権田教授は指標タンパク質の量を、PIDの「蛍光強度値」ではなく「粒子数」の単位で算出する、という方法を発案しました。PIDの粒子数は、光学装置の影響を受けずに算出できるため、絶対量として扱うことができます。この概念は、共通の病理診断基準を作ることにもつながると期待されました。PIDの粒子数を正確に算出するためには、1粒子の蛍光輝度が非常に高く、なおかつ粒子径が均一なPIDを開発しなければなりませんでした。いうのも、蛍光輝度が低いとノイズとなる蛍光(組織由来の自家蛍光)が邪魔をして、指標タンパク質をはっきりと捉えられず、また、粒子径にばらつきがあると、各粒子の蛍光強度にブレが生じ、粒子数の算出が困難になるためです。どのような性質のPIDができるかは、その作り方によるため、緻密な検討を重ねました。PIDは無機物でできた球形の外殻に、数万分子の有機蛍光色素が高密度に詰まった構造をしています。PIDを作るには、溶液の中でまず、無機物でできた外殻を形成させ、そこに有機蛍光色素を入れ込むように操作します(写真1)。クリーンルーム内で行われるPID粒子作製作業(再現イメージ)最初に試作したPIDは、シリカ(SiO2)で作った外殻の中に、ある有機蛍光色素を集積させました。粒子径は比較的揃っていましたが、輝度も耐光性も十分ではありませんでした。第二世代では、外殻のシリカを変更し、有機蛍光色素も輝度の高いものに変えましたが、今度は粒子径が揃いませんでした。このように外殻については4種類の材料の組み合わせを変えるとともに、そこに集積させる有機蛍光色素は、数十種類を試しました(写真2)。反応温度や試料の添加タイミングもPIDの性能を左右するため、微調整を重ねました。PID製造工程の一部。試料の添加(左)、計量(中)、加熱(右)。製造の最適条件を見つけるために試行錯誤を繰り返した高橋さんは、「外殻の製造方法や製造条件を見出すのには苦労しました」と語ります。「プロジェクトでは、権田教授のアドバイスを基に、組織由来の自家蛍光の影響を最小限にとどめるため、自家蛍光が強い波長域から離れた、赤色の蛍光波長のPIDを開発していましたが、最初に試作した粒子は蛍光色素が外殻から漏れやすくて悩まされました」(高橋さん)膨大な数の製造条件を検討した結果、外殻とその中身となる有機蛍光色素の最適な組み合わせを見つけ出し、病気の指標タンパク質が少量でも可視化できるほど、輝度と耐光性が高く、粒子径も揃ったPIDの開発に成功しました(写真3、4)。均一になっている(写真提供:コニカミノルタ)。写真4(右)製品化された赤色蛍光PID。紫外線照射で強い蛍光発光が見られる高橋さんは言います。「粒子径を揃えるには界面活性剤の働きを上手く利用しました。続いてコニカミノルタはPIDを使い、「定量的」に病気の指標タンパク質を把握するための蛍光イメージング技術の構築に取りかかりました。当初、指標タンパク質の定量は、PIDの蛍光の輝点数を測定して行っていました。輝点は複数のPIDが一塊になっていても1輝点となってしまうため、指標タンパク質の量を正確に反映できないという問題がありました。高橋さんは、「1点に見える輝点でも10倍明るければ、そこにPIDが10個あるはずなのです。定量性の確立には、明るさとPID数の関係の理論化が必要でした」と説明します。高橋さんは一つの試料について、蛍光顕微鏡によるPIDの蛍光像と、それとは別に電子顕微鏡によるPIDの粒子像を撮影して、両者を統合し、蛍光強度と粒子数の関係で検量線を作ってみることにしました(図1)。電子顕微鏡像と蛍光顕微鏡像、そこから作成した検量線。PIDの1粒、1粒が確認できる。(資料提供:コニカミノルタ)電子顕微鏡像には、PIDが1粒1粒はっきりと写っていました。これを計数し、蛍光顕微鏡で観察される蛍光強度が、粒子数と比例相関していることを明らかにしました。この結果をもとに、PIDの蛍光信号から病気の指標タンパク質の量をPIDの粒子数として定量的に評価する、独自の解析ソフトウェアも開発しました(写真5)。PIDを使ったイメージング画像からPIDの個数を自動算出するソフトウェアも開発。乳がんの病態組織の詳細な分類に成功PIDの実用化が現実味を帯びてきた2012年頃、それが実際に医療現場で使えるかを検討するために、東北大学とともにプロジェクト内で取り組んだのが、東北大学関連の8病院が保有していた85検体の乳がん針生検試料の染色でした。乳腺・内分泌外科の石田孝宣准教授(現:教授)、多田寛講師(現:准教授)、宮下穣助教(現:講師)らの尽力による患者標本の選定・収集や倫理委員会での承認取得、そして、渡辺准教授によるDAB染色を施した従来法での診断の確認や、医療現場で実際に行う手技で作成される組織切片の準備といった、万全な協力体制があって実現しました。高橋さんは、「東北大学の先生方のアドバイスに基づき、すでに確定診断と治療が行われ、その予後もわかっている患者さんの検体を染色して、従来の染色法との比較を行いました」と説明します(写真6)。(いずれも再現イメージ)染色のターゲットとしたのはHER2タンパク質です。これは乳がんの分子標的薬「トラスツマブ」の投与を判断する際の指標になります。HER2タンパク質の染色結果について、従来の「DAB染色」ではHER2の量を3+、2+、1+、0の4段階で区別していたのに対して、PIDを用いると従来法では区別できないような濃度領域の区分が可能であることが明らかになりました(図2)。東北大学病院の病理診断技術開発の研究メンバーの協力によって、高輝度かつ高耐光性のPIDの開発に成功し、その応用として、実際の医療現場でも適用可能な、高い感度と定量性を実現した病理組織の蛍光イメージング技術を構築・確立しました。NEDOプロジェクトから得た気付き中野さんたち開発メンバーはプロジェクトの中で、NEDOからいくつもの気付きがもたらされたと言います。中野さんは、「プロジェクトの最終目標がPIDの開発だけでなく、病理組織イメージングシステムの構築になったのも、NEDO側から提案を受け、実際に医療現場で使えるシステムを構築しなければ、PIDには価値がないことに気付かされたからです」と説明します。「私が『次はこういう風に考えている、あれをやろうと思っている』と伝えると、NEDOは非常に良く理解してくれました。3カ月毎に行われる報告会は大変でしたが、そこでの議論も『がんを治す』という、プロジェクト関係者全体が共有する目標へ向けて、実用化へのモチベーションの維持につながったと思います」また高橋さんは、「外部的な視点でいろいろ指摘いただいたのが大きかったと感じています」と話します。NEDOがプロジェクトの良き理解者であり、時に適切な助言をしたことが、中野さん、高橋さんら、実際に研究開発を続けるメンバーの背中を強力に後押しました。日仏共同研究でPIDの新たな価値の創出に挑戦NEDOプロジェクト中盤の2012年4月、NEDOからプロジェクトメンバーに「フランスのパスツール研究所関連のベンチャー企業から研究者が来日するので会わないか」という連絡が入りました。同年3月に開催された日仏のバイオ関連企業のビジネスマッチングイベントで、パスツール研究所と同研究所発のベンチャー企業であるバイオアクシャル社が共同研究先を探していたことを受けて、共同研究先としてマッチしそうな国内のバイオ関連企業などに、NEDOが声がけをしていたのです。中野さんはその知らせを聞いて、「世界的な研究所と一緒に何かできるとは思ってもみなかったですが、何があるかわからないので、取りあえず会ってみることにはしました」と言います。NEDOによる橋渡しをきっかけに、両者間での情報交換が始まりました。パスツール研究所はかねてからコニカミノルタのPIDの性能の高さに注目していたこともあり、面会後もたびたび情報交換は続き、2013年12月には技術交流が始まりました。「そのようなタイミングで、NEDOから『パスツール研究所と共同研究をするなら、日仏コファンド事業を利用してはどうか』と提案されました」と中野さんは言います。コファンド事業とは、日本企業と優れた技術を持つ外国企業とが、共同で国際研究開発プロジェクトを実施する際に、NEDOと相手国の支援機関が並行して、それぞれ自国企業の研究開発費用の一部を支援するものです。創薬研究の過程では、医薬品の作用を正確かつ詳細に解析する必要がありますが、その一つの方法として「生きた細胞をイメージングする技術」が注目を集めていました。その技術にPIDを組み合わせ、生きた細胞内部での医薬品の動きや影響を詳細に調べることで、医薬品候補の効能をより正確に評価できるようになると考えてのことです。(2015~2017年度)に応募し、採択されました。コニカミノルタはこの事業の中で、生きた細胞を染色できるPIDを新たに開発し、細胞内での医薬品の動態を観察することに成功しました。超解像顕微鏡システムを活用し、高精度な観察技術の基盤となるソフトウェアの開発にも貢献しています。これらの成果がその後のコニカミノルタの創薬支援ビジネスにつながっています。NEDOが橋渡しした日仏機関の関係、そして中野さんをはじめとした開発者のチャレンジ精神がPIDの新たな活用先を開拓したのです。組織染色サービスを事業化NEDOプロジェクトで開発したPIDを基盤技術に、コニカミノルタは、2018年から組織染色サービス「QuanticellR」を、製薬会社を中心に提供しています。この組織染色サービスでは、染色したい病理検体などをコニカミノルタに送付すれば、染色結果がPIDの粒子数という定量的な形で得られます(写真7)。(左)PID染色の蛍光顕微鏡像。(右)タンパク質が赤く染色されている様子が蛍光顕微鏡で鮮明に捉えられるこのサービスを行っているうちに、気付きがあったと高橋さんは話します。「実は医療現場では、すでに確立された診断方法に代えてPIDを使うという考えには至りませんでした。「一方で、新規に薬を開発していく初期段階の、例えば病気の指標タンパク質が非常に低発現で捉えにくい場合など、どの組織のどの場所に発現しているかを明らかにしたいとき、この技術が必要とされるとわかってきました」(高橋さん)こうして創薬初期に、病気の指標タンパク質を捉えるのに使われたPIDは、その後、薬が実用化されてからは、投薬の有無を決める際に行われる「コンパニオン診断」の際に重要な役割を果たしていくことにもなります。総合研究開発」では赤色蛍光のPIDを開発しましたが、創薬現場が求める高度なイメージング技術を実現するために、コニカミノルタはさらに研究開発を続けました。その結果実現したのが、緑色蛍光のPIDです(写真8)。赤・緑色蛍光の2種を揃えたことにより、多重染色が可能になり、同時に2種類のタンパク質を高感度、高輝度でイメージングできるようになりました。これにさらに細胞膜や核などを従来法で同時に染色すれば、タンパク質がどこにあるのかという局在が明らかになります(図3)。これは病気の状態を判断するのに重要な情報です。(資料提供:コニカミノルタ)こうしてPIDの価値が明らかになるにつれ中野さんはこんな風に考えるようになりました。「バイオ分野にはほとんどといっていいほど、未解明なことが残されています。コニカミノルタの実験室「ナノパソコアラボ」これからの医療の発展にはバイオの知識だけでなく、PIDのようなエンジニアリングやオプティクス、マテリアルなどさまざまな知識を組み合わせることが重要になります。した異分野、異業種のマッチングの成功には、「NEDOのプロジェクトマネジメントが果たしてきた役割は大きいです」と中野さんは評価します。さまざまな技術の融合がもたらした成功事例として、PIDがこれから多くの人を救う医療分野を支えていくことが期待されています。研究開発に夢や希望は抱かない。現実を直視するのみ中野さんはPIDの研究開発のコンセプトメイキングから関わり、常にリーダーとしてプロジェクトを成功へと導いていきました。長年、材料の研究開発に向き合ってきた中野さんが、今感じていることです。それゆえ、時には研究テーマの中断といった非情な決断もしてきました。それは、エビデンスを収集し専門家に徹底的にヒアリングした上での、冷静な判断だったと言います。「研究開発はエベレスト登山みたいなものです。入社した1980年代後半には、磁気ビデオテープの開発を担当し、自分の製品が市販されるという喜びを経験しました。一方で、時代とともに所属部署が消えていくのを目の当たりにもしました。それをきっかけに、「やる以上は実現していかなくてはだめだ」と考えを変えたと言います。それが社内では新分野だったヘルスケア部門へと異動した理由でした。2020年に定年退職し、現在は研究開発の現場を離れましたが、現役開発者にはPIDを育てて欲しい一方、その成功にこだわらないことも重要と伝えていると話します。寧さん経験を武器に新たな技術開発に向かいたい高橋さんは高輝度ナノ粒子開発において、時には材料開発に従事し、時には東北大学で病理を学び、研究開発の主力となってきました。現在は、「QuanticellR」サービスのリーダーを務めています。無機材料の専門家で、前職では自動車用の触媒の開発を行っていましたが、「何かほかのことをやりたい」と選んだのが医療分野でした。当時、コニカミノルタは新事業としてバイオ・医療分野に力を入れ始めており、高橋さんの希望とマッチして、2007年にコニカミノルタのヘルスケア事業部に採用されました。現在は、プロジェクトを通して習得した知識と技術を背景に、製薬会社向けにPIDの技術営業を行っています。「PIDが創薬支援技術として世の中に認められたら、新しい技術開発に携わりたいと思っています。本プロジェクトを通して研究開発の立ち上げの難しさや、コンセプトがどれだけ大事か、身に染みてわかったつもりです。「新しいものに果敢に挑戦していく」という中野さんの開発者精神は、高橋さんへと確実に受け継がれています。高輝度蛍光ナノ粒子PIDは、図のような、無機物でできた球形の外殻の中に、数万個の有機蛍光色素が詰まった粒子です(図4)。