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1. microfluidic ChipShopのマイクロ流体チップ

microfluidic ChipShop GmbHのマイクロ流体チップと関連サービスを御紹介いたします。マイクロ流体機能・コンセプトを低リスクで評価できる,多数のカタログ製品を用意しております。また,お客様の御要望に応じたカスタマイズチップをデザイン,試作,量産しています。

2. 創薬向けorgan-on-a-chip / オンチップ細胞培養
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。
Organ-on-a-chip (マイクロ流体チップ内における臓器細胞培養)の利点として,主に以下のものが挙げられます:
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. 流れる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. 一つのチップ上で複数のデータを取得可能

(a) クロスフローメンブレンチップ
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,細胞を播種し薬剤を透過させることができ,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]
    クロスフローメンブレンチップ[480]
    PSと生体適合性に優れたCOCがカタログ掲載品(デフォルト)で,オプションとして他の材質(COP等)を作製可能。また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・指定可能。
クロスフローメンブレンチップの構造
    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が実現する。

期待できること
・層流状態で,制御されたシアストレス下にて細胞を培養
・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)を指定・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

(b) 相互作用チャンバチップ
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チャンバー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。

多臓器相互作用チップ
    相互作用チャンバチップ [688],[737]
    2チャンバー型による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,連続細胞培養培地還流用流路が1つ,薬物等の追加用流路が1つある。
毒性評価チップ
    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,腎細胞がある側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を特定し,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]


RTPEC
    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。
hC3A
    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

(c) 相互作用流路チップ
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。

相互作用流路チップ[983]
    相互作用流路チップ [983]
    外側の2流路に注入された異なる試薬が,中央の流路で混合・相互作用している様子。
相互作用流路チップ[983]
    相互作用流路チップ [983]
    ピラーバリアの間隔は,5つある共培養ユニットごとに異なる。ピラー間隔は150-250 µm。

アプリケーション
共培養と遊走細胞アッセイを,潜在的なアプリケーションとして想定しています。
・例: 灌流モードで2つの外側流路を使用
・例: 静的3D培養条件で,細胞を含むゼラチン状の細胞外マトリックスで内側流路を充填して使用

相互作用流路チップ詳細資料


3. Organ-on-a-chip 送液システムを用いた灌流培養セットアップ
Organ-on-a-chip内の培養中の細胞にシアストレスや機械的な刺激,濃度勾配等を与えるため,流量を精密に制御できる送液システムを使用することをおすすめいたします。

下の図では,microfluidic ChipShopの「クロスフローメンブレンチップ」 [480]に対して,Fluigentの圧力制御式送液システムFlow EZを用いて2種類の試薬を送液し,それらの流量を観察する場合のセットアップを紹介しています。構成アイテムの詳細はこちらのページに掲載しています。

Organ-on-a-chip セットアップ例

    細胞培養チップ(右下)と圧力制御式送液システムFlow EZ,流量センサFlow Unitのセットアップ例
    各製品の詳細はこちらに掲載

Publication list: microfluidic ChipShopのマイクロ流体チップを用いた研究成果 (抜粋)

[POCT (Point of care testing)]
▶A low-cost integrated biosensing platform based on SiN nanophotonics for biomarker detection in urine. D Martens et al., Anal. Methods, 2018, 10, 3066 (Keywords: Biomarker detection, Nanophotonic sensor, POC)
▶Label-Free and Real-Time Detection of Tuberculosis in Human Urine Samples Using a Nanophotonic Point-of-Care Platform. P Ramirez-Priego et al., ACS Sens. 2018, 3, 10, 2079-2086 (Keywords: Immunology, Anatomy, Sensors)
▶Microfluidic Cartridges for Automated, Point-of-Care Blood Cell Counting. S Smith et al., SLAS TECHNOLOGY: Translating Life Sciences Innovation, 22(2), 176-185 (Keywords: Microfluidics, Point-of-care diagnostics, Blood cell counting)
▶Blister pouches for effective reagent storage on microfluidic chips for blood cell counting. S Smith et al., Microfluidics and Nanofluidics, 20(12), December 2016 (Keywords: Blister pouch, Microfluidics, Reagent storage)

[POCT (Point of care testing)とマイクロ流体デバイスの標準化の検討]
▶Accelerating innovation and commercialization through standardization of microfluidic-based medical devices. D Reyes et al., Lab Chip, 2021, 21, 9-21 (Keywords: Microfluidics, Standardization)

[Organ-on-a-chip / Microphysiological systems]
▶A new organ-on-chip platform for physiological relevant in-vitro reproduction of the blood–brain barrier. H Kiessling et al., MicroTAS 2015 (Keywords: Organ-on-a-chip, Dielectrophoresis, Polymer microfabrication)
▶Monitoring cytochrome P450 activity in living hepatocytes by chromogenic substrates in response to drug treatment or during cell maturation. J Theobald et al., Arch Toxicol 92, 1133-1149 (2018) (Keywords: Hepatocytes, Fluorescence, CYP450 enzymes)
▶A three-dimensional immunocompetent intestine-on-chip model as in vitro platform for functional and microbial interaction studies. M Maurer et al., Biomaterials, Volume 220, November 2019, 119396 (Keywords: Microphysiological system, Gut-on-chip, Microbiota)
▶Endogenous metabolites of vitamin E limit inflammation by targeting 5-lipoxygenase. H Pein et al., Proc. of SPIE Vol. 10699 106990U-1 (Keywords: Granulocytes, Inflammatory diseases, Lipids)
▶In vitro metabolic activation of vitamin D3 by using a multicompartment microfuidic liverkidney organ on chip platform. J Theobald et al., Scientific Reports | (2019) 9:4616 (Keywords: Lab-on-a-chip, Multicellular systems)
▶Co-infection with Staphylococcus aureus after primary influenza virus infection leads to damage of the endothelium in a human alveolus-on-a-chip model. S Deinhardt-Emmer, K Rennert et al., Biofabrication 12 (2020) 025012 (Keywords: Immune-responsive model, inflammatory response)

[Immunoassay / イムノアッセイ]
▶An integrated homogeneous SPARCL™ immunoassay for rapid biomarker detection on a chip. N Sandetskaya et al., Anal. Methods, 19, 2542-2550, 2019. (Keywords: Immunoassay, Quantitative detection, biomarker)

[Droplet generation / 液滴生成]
▶High-Throughput Optimization of Recombinant Protein Production in Microfluidic Gel Beads. M Napiorkowska et al., Small 2021, 17, 2005523 (Keywords: Droplet microfluidics, Gel microdroplets, High-throughput screening)