Organ-on-a-chip / 灌流細胞培養

マイクロ流体デバイス

Microfluidic Devices

Organ-on-a-chip / MPSとは

Organ-on-a-chip / MPS (Microphysiological systems)は，マイクロ流体チップ内の培養空間にヒトの組織を複数配置してミニチュア化したin vitro ヒト型試験系で，灌流環境下で細胞を培養します。複数臓器の培養ユニットを連結して培養することで人体における臓器間の相互作用をin vitroの培養器に再現することを試みるもので[1]，近年盛んに研究発表されています。

Organ-on-a-chip / MPSの利点

1. 細胞培養環境のサイズ･形状を in vivo の状態に近似化可能
2. 表面改質により培養チャンバ内の環境を in vivo 状態に容易に調整可能
3. 流れのある動的環境であり，in vivo 環境に似た機械的刺激を細胞に対して与えられる
4. 1枚のチップ上で複数のデータを取得可能[2]

[1] 石田誠一，金森敏幸，日薬理誌 (Folia Pharmacol. Jpn.) 154, 345-351 (2019)
[2] Holger Becker, 創薬のひろば 2018年秋号 Vol. 9

microfluidic ChipShopでは，さまざまなコンセプトのorgan-on-a-chipチップを実現しています。
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クロスフローメンブレンチップ

クロスフローメンブレンチップとは

メンブレン(多孔質膜)を持つorgan-on-a-chipデバイスです。上部のチャンバと下部のチャンバそれぞれに培地用の溶液を流す流路があり，同時に灌流が可能です。上下のチャンバ間に細胞培養基質の役割を果たすメンブレン(多孔質膜)が搭載されており，細胞を播種し薬剤を透過させることができます。

本製品はカタログ掲載品です。また，複数のデザインバリエーションとカスタマイズオプションがあります。

クロスフローメンブレンチップ[480]
カタログ掲載品(デフォルト)のポリマー材質はPSと生体適合性に優れたCOCで，オプションとして他の材質(COP等)で作製可能。チップ内に搭載するメンブレン(多孔質膜)はデフォルトではPET，希望により孔径・材質ともに変更可能。

クロスフローメンブレンチップの構造
上部と下部のチャンバに試薬を流す流路があり，中央にはそれを隔てるメンブレン(多孔質膜)が搭載されている。上部下部にはそれぞれ別のインタフェースから試薬が導入され灌流状態を保つことができる。

期待できること

･層流状態で，制御されたシアストレス下での細胞培養
･灌流中の物質濃度の動的な調整
･栄養培地の効率的な供給
･浮遊細胞のオーバーフローと接着細胞との相互作用や，これらの同時実施
･異化細胞代謝産物の放出

実績例

･内皮細胞[1]や肝洞様毛細血管[2]の作成
･Lung-on-a-chip (human alveolus-on-a-chip) [3]

オプション例

･チップ上に搭載しているメンブレン(多孔質膜)の指定･変更
･リアルタイム酸素センサーをチップ上に付加 [4]
･チャンバや流路の親水化
･DNase / RNaseフリーの処理

出典

[1] M. Raasch et al., Microfluidically supported biochip design for culture of endothelial cell layers with improved perfusion conditions, Biofabrication 7(1), 015013, 2015
[2] Rennert, K. et al., A microfluidically perfused three dimensional human liver model, Biomaterials 71, 119-131, 2015
[3] S Deinhardt-Emme et al., Co-infection with Staphylococcus aureus after primary influenza virus infection leads to damage of the endothelium in a human alveolus-on-a-chip model, Biofabrication 12 025012, 2020
[4] B. Ungerböck, V. Charwat, P. Ertl, T. Mayr, Microfluidic oxygen imaging using integrated optical sensor layers and a color camera, Lab Chip. 13(8), 1593-1601, 2013

相互作用チャンバチップ

相互作用チャンバチップとは

投与された毒素及び薬物を代謝し，その結果生じた代謝産物の毒性読み取りができる，2チャンバデザインのマイクロ流体チップです。[5]

本製品はカタログ掲載品です。また，複数のデザインバリエーションとカスタマイズオプションがあります。

相互作用チャンバチップ[688]，[737]
2チャンバ型による2臓器配置を実現。細胞播種用チャンバにつながった流路が1つ，培地還流用流路が1つ，薬物等の追加用流路が1つある。

相互作用チャンバチップ
薬物代謝産物の毒性評価のための肝臓･腎臓の相互作用をチップ上で実現。肝臓における代謝後の薬物の毒性効果研究に用いることができる。
培養例: HepG2，HeK293，hRTPEC，hC3A他

使用例

肝臓･腎臓モデルの組み合わせは，肝臓に媒介された毒性効果の初期判定に適しています。肝細胞を薬物で暴露した後，代謝産物は細胞培地に乗せられて，腎細胞があるもう一方のチャンバに輸送されます。

結果

従来の静置細胞培養で検出できない毒性効果と，流れの方向に依存した毒性効果を特定して，共薬物処理によって毒性を誘発し抑制することができました。[6]

COPチップにおけるRTPEC(ヒト腎臓近位尿細管上皮細胞)の細胞培養(6日後)
上列: コラーゲンAでコーティングされたチャンバ
下列: コーティングされていないチャンバ
グレースケールは細胞形態，カラーはNa+ K+ ATPaseマーカー発現

COPチップにおけるhC3A(肝細胞)の細胞培養(6日後)
上列: コラーゲンAでコーティングされたチャンバ
下列: コーティングされていないチャンバ
グレースケールは細胞形態，カラーはCK8/CK18 マーカー発現

オプション例

･チャンバ内の表面改質(親水化)
･チャンバ内のコーティング
･DNase / RNaseフリーの処理

出典

[5] Holger Becker et al. "Microfluidic devices for stem-cell cultivation, differentiation and toxicity testing," Proc. SPIE 10061 (2017), Microfluidics, BioMEMS, and Medical Microsystems XV, DOI: 10.1117/12.2254026
[6] Theobald, J. et al., Liver-Kidney-on-Chip To Study Toxicity of Drug Metabolites, ACS Biomater. Sci. Eng., DOI: 10.1021/acsbiomaterials.7b00417, 2017

相互作用流路チップ

相互作用流路チップとは

相互作用流路チップは，3つの隣接する流路で共培養された細胞を研究するために開発されました。培養コンパートメントで培養された細胞の，細胞間相互作用を観察できます。3つの流路は，透過性のピラーバリアによって分割されています。