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化粧品業界における3D(3次元)細胞培養が今後のイノベーションに果たす役割

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生物から分離した細胞を生体外で3次元的に増殖・維持させる技術である「3D(三次元)細胞培養」。その市場は2021年に16億ドル(約2,138億円)、2031年までには83億ドル(約1兆1,092億円)に達し、2022年から2031年までCAGR(年平均成長率)18.2%で成長すると予測されている。こうした市場の急成長には、近年の3D細胞培養技術の発展・多様化により、応用領域やユーザーが拡大してきている背景がある。3D細胞培養市場の中心領域は現在、がん研究、幹細胞研究、創薬、再生医療だが、3D細胞培養市場の発展によって、美容分野にはどのようなインパクトがもたらされるのかを考察する。

動物実験廃止の流れから3D細胞培養に注目が集まる

3D細胞培養は、これまでの2D細胞培養に比べて立体的であり、たとえば、肌でいえば、表皮から真皮といった構造や細胞の違いも再現できるところが、平面的な2D細胞から大きく進化した点だ。

化粧品業界において3D細胞培養が注目されている大きな理由の1つに、動物実験廃止の流れがある。動物実験では、対象動物が非人道的な状況にさらされる場合もあり、クルエルティフリーを求める消費者の強い動きや、さらには、動物実験とヒトでの結果との関連性が限られているという指摘もある。

動物実験廃止の取り組みが最も進んでいるEUは、すでに2009年に「化粧品に関する規則1223/2009(化粧品規則)」を制定。同規制内で化粧品に関する動物実験の禁止を定めた。EU域外で動物実験がなされた化粧品をEU域内において販売することも同規則において禁止されている。2021年には中国においても輸入化粧品の動物実験義務化が撤廃されるなど、動物実験廃止の流れが加速している。

こうした流れから、とくに大手化粧品ブランドでは、3D細胞培養によってヒトの皮膚や動物実験の代わりとなる3D皮膚モデルの作成を推進してきた。このことにより、いわゆるin vitro(イン・ビトロ、試験管レベルで行う実験)環境で、化粧品の安全性や有効性を試験する取り組みを進めている。

3D細胞培養では、従来の2D細胞培養に比べ、in vivo(イン・ビボ、動物個体をそのまま用いて行う実験)、つまり動物実験の代替となるような生体組織を模倣した3D細胞モデルを作成することができる。in vitro実験は、環境整備や飼育が必要な動物実験よりも安価なうえ、実験結果が出るのも早く、クルエルティフリーの化粧品開発に欠かせなくなっているのだ。

化粧品業界では、おもに製品の安全性(皮膚腐食性、皮膚刺激性、光毒性など)を評価するために、3D細胞培養によって作製された人工皮膚モデルが活用されている。これら人工皮膚モデルを用いた評価試験は、OECD(経済協力開発機構)において国際的に合意された試験方法としてガイドライン化され、化粧品の安全性を担保するための試験として役立っている。

グローバルでは仏ロレアルの動きが早く、1989年には動物実験の廃止を決定し、翌年より人工皮膚培養を開始、1997年には人間の皮膚細胞から生きた表皮の細胞の再構築に成功している。これを「Episkin」の名で製品化し、同製品を販売する子会社を設立した。現在では、フランス、中国、ブラジルにあるEpiskinラボで、さまざまな種類のヒト皮膚モデルの研究開発を行っている。同ラボには、分子モデリングや毒物学システム、画像技術など、多くの非動物予測評価ツールなども整備されており、同社はAI技術を含む動物実験を伴わない試験方法および技術を開拓し続けている。

Episkin社のヒト全層皮膚モデル「Episkin」
出典:Episkin社 公式サイト

よりヒトに近い高機能の3D細胞培養モデルが確立

3D細胞培養からなる人工皮膚モデルとしては、1970年代に、ハーバード大学の細胞生物学者であり、再生医療の父として知られるハワード・グリーン(Howard Green)氏らによって3D培養皮膚(表皮モデル)の作製技術が確立され、1990年前後から製品化が進んだ。1981年には、マサチューセッツ工科大学の生物学者であり、組織工学の父として知られるユージン・ベル(Eugene Bell)氏らによって真皮様組織と表皮組織からなる3D培養皮膚(表皮・真皮モデル)作製技術も開発され、人工皮膚の技術革新が進んだ。これら培養技術の鍵は、3D細胞培養の足場となる素材や培養方法にあり、足場型3D細胞培養という方法で構築されている点だ。簡単にたとえるなら、皮膚を構築するための足場を作り、そこで細胞を培養し、試験管レベルで組織として再構築していく方法である。

この足場型3D細胞培養による人工皮膚モデルはすでに数多く開発され、実用化されており、日本企業でも「Epiderm(クラボウ)」「TESTSKIN LSE(東洋紡)」「LabCyte EPI-MODEL(J-TEC)」「Vitrolife-Skin(グンゼ)」といった製品が医療・製薬分野などで広く利用されている。

また最近では、細胞を自己増殖させるオルガノイドモデルという手法も増えてきた。複数の細胞種から作られる「オルガノイド」と呼ばれる3D組織を、幹細胞などを用いて培養する手法で、近年では、電子回路が形成された微細流体チップの上でオルガノイドを培養して、ヒトに極めて近い生態環境を模倣する「オルガン・オン・チップ モデル」が注目されており、血管を内包させるなど、よりリアルに近い皮膚が再現できる。その他にも、バイオプリンティング、細胞シートなどを応用する方法など、組織の機能性や複雑な生理学的環境を再現できる技術が発展してきている。

老化のメカニズムやパーソナライズ、メナードや資生堂など国内4社事例

こうした状況をうけ、国内化粧品メーカーも3D培養皮膚モデルを利用した取り組みを進めている。

マンダムは、動物実験代替法の開発を目指し、製薬企業など6社との共同で、3D培養皮膚モデルを使用した化粧品成分のリスク評価試験結果のデータベース化に取り組んでいる。この取り組みではとくに、安全性評価項目の1つである皮膚刺激性に着目し、ジャパン・ティッシュ・エンジニアリング社の3D培養ヒト皮膚モデル「EPI-MODEL24」を用い、化粧品に用いられる16成分についてデータ拡充や試験条件の検討を進めているという。

防腐成分の皮膚刺激性試験結果例
出典:株式会社マンダムプレスリリース

3D培養皮膚モデルを高機能化する動きもある。コーセーは2019年、自然老化を再現させた3D皮膚モデルの開発に成功したと発表した。同成果は、フランス国立リヨン市民病院 オディール・ダムール博士と日本薬科大学 加治和彦客員教授との共同研究によるもので、加治教授が有する同一供与者由来の異なる年齢で得られた線維芽細胞を用い、ダムール博士の開発した再構築3D皮膚モデルの真皮層に導入することで、遺伝子背景が同一で年齢が異なる3D皮膚モデルをつくりあげた。同社は、このモデルを活用し皮膚の自然老化メカニズム解明に向けた研究を進めていくとしている。

同一供与者で年齢が異なる3次元皮膚モデルの切片染色像
画像提供:株式会社コーセー

資生堂は2018年に、北海道大学 長山雅晴教授、熊本淳一学術研究員らとの共同研究のもと、コンピュータシミュレーションによってヒト3次元培養表皮を高機能化することに成功したと発表。この研究では、肌・表皮の機能を保ち続ける表皮恒常性のメカニズムを反映させた数理モデルを確立。このことにより、環境を変化させた際の皮膚の構造をコンピューター上で予言できるようになる。同モデルをもとに培養容器の底部に凹凸をつけるという実験を行ったところ、ヒト皮膚と同等に厚い表皮と角層が構築されることも見出した。同研究チームは、化粧品の効果を評価するツールにも展開できるとしている。

コンピュータシミュレーションによって表された表皮モデル。
基底膜の構造が直線的な場合に比べ、波のような構造をしている時に表皮が厚くなる
出典:科学技術振興機構プレスリリース

また、3D培養皮膚モデルに関する日本メナード化粧品の取り組みは、幹細胞およびゲノム編集技術を組み合わせた点で世界をリードする技術といえる。これにより、異なるレベルのバリア機能を持つ人工皮膚モデルをそれぞれ構築することが可能になる。将来的には、一人ひとりの肌質の違いを再現することで、その肌にあった究極のパーソナライズ化粧品の提案や美容サービスの開発につなげていくことを目的としている。現在メナードでは、シワやたるみを再現した人工皮膚の開発を進めている段階という。

ゲノム編集技術によって細胞の遺伝子を改変しシワやたるみを再現する
画像提供:日本メナード化粧品株式会社

化粧品業界では、品質向上と個々人の肌質の再現が課題

3D細胞培養においては、さまざまなドナーから分離した細胞を用いるため、品質にバラつきが生じるという課題がある。また、培養の過程では手動による作業や高度な専門性が必要といった理由から、再現性の問題も残っている。このため、医療や美容領域を含めた3D細胞培養の自動化・標準化に取り組んでいくことが求められている。

この問題に対して、現在メナードでは、3D培養皮膚の品質向上に向けて、同一供与者から皮膚細胞を分離し、安定的に人工皮膚を作製する技術開発について藤田医科大学の赤松浩彦教授との共同研究を進めているところだという。

同一供与者から皮膚を構成する細胞を分離。遺伝子導入により不死化することで安定的に培養できる細胞を作製する。同細胞を利用して誰でもどこでもその人の皮膚を再現できる体制構築を目指す
画像提供:日本メナード化粧品株式会社

化粧品業界で重要となるのは、医療業界が目指す方向性の1つである移植用の実皮膚に近いものよりも、よりヒトに近い環境で安全性や有効性が確認できる3D培養皮膚モデルを安定した品質でつくることである。

さらには、個々人の肌質に合わせた美容を提案していくために、メナードのように肌質の違いを再現できる技術を開発していくことも必要だ。ゲノム解析技術やゲノム編集技術、オルガン・オン・チップやバイオプリンティング、AIや数理モデルを利用したコンピュータシミュレーションなどを組み合わせた手法が、その有力な候補となりえるだろう。

Text:周藤瞳美(Hitomi Suto)
Top image:Billion Photos via shutterstock

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