小腸は栄養吸収を担う主要な臓器であり，その広範な切除では十分な消化吸収が行われず，短腸症候群と呼ばれる栄養不良状態に至る．重症の短腸症候群患者では，小腸移植が唯一の根治的な治療法となりうるが，他臓器に比べて著しく高い拒絶率のため普及しておらず，短腸症候群に対する新規治療法の開発が求められている．小腸の構造の複雑さゆえに，腸管上皮オルガノイドを用いた再生医療の小腸疾患への応用はこれまで現実的なものではなかった．
3年計画の本研究では，大腸上皮を小腸上皮オルガノイドに置換するという臨床への応用を見据えた治療戦略の確立を目指すことを目的とした．手術に適した動物モデルとして，小林英司客員教授と共同開発したラット短腸症候群モデルを用いた．わずかな残存回腸の長さの差異により腸管不全をきたすというヒト短腸症候群に矛盾しない結果により治療戦略の妥当性を確認した上で，移植実験へとすすめた．移植細胞には，ドナーオルガノイドの標識のため，ルシフェラーゼ遺伝子を発現するトランスジェニックラット由来の小腸上皮オルガノイドを使用した．EDTAによる粘膜剥離と手術の組み合わせにより，ラット大腸上皮の除去が可能となり，ラット大腸の大腸上皮を小腸上皮オルガノイドで置換することに成功した．盲検化した回腸オルガノイド移植群の短腸症候群ラットでは，大腸オルガノイド移植群に比して緩やかな体重減少にとどまり，有意に生存期間が延長した．さらに，回腸オルガノイドを移植した組織において，LYVE-1陽性の吸収能をもった乳び管様構造が形成されることをラットのみならず免疫不全マウスにおけるヒト回腸オルガノイド移植片でも確認した．本手法は更なる改変により効率化を行い，大動物実験への基盤技術となった．
The small intestine is the primary site for nutrient absorption. Extensive small intestinal resection leads to inadequate digestion and malabsorption, a condition known as short bowel syndrome (SBS). Intestinal transplantation is currently the only potentially-curative treatment option for severe SBS patients, but severe allogenic reaction reduces the graft survival rate and has prevented the widespread use this treatment. Therefore, development of a novel therapeutic strategy for SBS is warranted. The structural complexity of the small intestine has precluded the application of organoid-based regenerative medicine to small intestinal diseases.
To establish a clinically relevant therapeutic strategy for SBS by means of colon epithelial conversion using small intestinal organoids, we elected to use a rat SBS model for their tractability. After successfully confirming that preserving a short length of the ileum prevents intestinal failure in the rat SBS model, which is consistent with the clinical presentation of human SBS, we proceeded to transplantation experiments. To label donor organoids, we used small intestinal organoids derived from Lewis luciferase transgenic rats. EDTA-based breaching in combination with surgery enabled the removal of the rat colonic epithelium, and careful optimizations allowed us to overlay epithelium-depleted rat colon with small intestinal organoids. Ileum organoid-transplanted SBS rats exhibited milder body weight loss and significantly higher survival rate compared to colon organoid-transplanted rats. Furthermore, we confirmed a formation of LYVE-1+ lacteal-like structure equipped with the absorption-related machinery in rat ileum organoid-transplanted tissues as well as in human ileum-organoid-transplanted xenograft in mice. This method has been further modified to improve efficiency, and has provided the basic technology for large animal experiments.