Advanced 3D tissue engineering with microfluidic technology

• Project/Area Number: 17H02083
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Biomedical engineering/Biomaterial science and engineering
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: Kamei Ken-ichiro 京都大学, 高等研究院, 准教授 (00588262)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 田畑 修 京都大学, 工学研究科, 教授 (20288624) ; 平井 義和 京都大学, 工学研究科, 助教 (40452271) ; ABDALKADER Rodi 京都大学, 高等研究院, 特定助教 (20839964)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥16,250,000 (Direct Cost: ¥12,500,000、Indirect Cost: ¥3,750,000); Fiscal Year 2019: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2018: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2017: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000)
• Keywords: 多能性幹細胞 / マイクロ流体デバイス / オルガノイド / 肝臓 / 分化 / ヒト多能性幹細胞 / 成熟化 / 組織工学 / 幹細胞 / 血管網

Outline of Final Research Achievements

The purpose of this research is to develop a method to produce functional organoids efficiently and reproducibly, and to elucidate the mechanism of tissue formation that is useful for regenerative medicine and drug discovery. In this study, we focus on the liver, which has been difficult to produce with conventional organoid production methods and has low reproducibility, and we propose a novel production method to solve these problems and elucidate the developmental mechanism of the liver. As a result of this study,
1. a microfluidic device was developed to enable physical stimulation. Physical stimulations (thermal and mechanical stimulation) were applied to the stem cell-derived liver cells, and the functional improvement was confirmed.
2. the induction of differentiation from iPS cells to liver cells and the formation of organoids was established.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

近年、組織形成法は高機能な組織を得る鍵として着目されている。しかし、従来の形成法は細胞が持つ自己組織化能力のみに頼るため低効率や低再現性などが問題となり、実用化には達していない。そこで、新しいオルガノイド作製作製法が強く望まれている。
本研究では従来の細胞生物学手法だけでなく、マイクロ工学を融合した既成観念にはない斬新なアプローチを取り入れ、高機能な組織形成の人為的な制御を可能にする。本研究を通して得られた知見は、ヒトの初期発生から組織形成の過程を生体外にて再現、研究することを可能にする。更に、発生・組織形成過程における異常が起因する病態などのメカニズム解明にも本研究は非常に重要な役割を果たす。

Research Products

• [Int'l Joint Research] San Diego Zoo/University of California Los Angeles(米国)
• [Int'l Joint Research] Karlsruhe Institute of Technology(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Karlsruhe Institute Technology(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] University of California Los Angeles/San Diego Zoo(米国)
• [Journal Article] 39°C-in vitro culture facilitates hepatic functions of hepatocyte-like cells derived from human embryonic stem cells (2020)
  • Author(s): Imamura Satoshi、Yoshimoto Koki、Terada Shiho、Kamei Ken-ichiro
  • Journal Title: bioRxiv Volume: 0 Pages: 983130-983130
  • DOI: 10.1101/2020.03.10.983130
  • Open Access
• [Journal Article] Multi-corneal barrier-on-a-chip to recapitulate eye blinking shear stress forces (2020)
  • Author(s): Abdalkader Rodi、Kamei Ken-ichiro
  • Journal Title: Lab on a Chip Volume: 20 Issue: 8 Pages: 1410-1417
  • DOI: 10.1039/c9lc01256g
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Randomness and optimality in enhanced DNA ligation with crowding effects (2020)
  • Author(s): Takaharu Y. Shiraki, Ken-ichiro Kamei, Yusuke T. Maeda
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 2 Issue: 1 Pages: 013360-013360
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.2.013360
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Novel microfluidic device integrated with a fluidic‐capacitor to mimic heart beating for generation of functional liver organoids (2019)
  • Author(s): Wu Jiaxu、Hirai Yoshikazu、Kamei Ken‐Ichiro、Tsuchiya Toshiyuki、Tabata Osamu
  • Journal Title: Electronics and Communications in Japan Volume: 102 Issue: 10 Pages: 41-49
  • DOI: 10.1002/ecj.12210
  • NAID: 130007671301
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 生体機能の再現を目指したbody-on-a-chip (2019)
  • Author(s): 吉本 昂希、亀井 謙一郎
  • Journal Title: Farumashia Volume: 55 Issue: 5 Pages: 427-431
  • DOI: 10.14894/faruawpsj.55.5_427
  • NAID: 130007641257
  • ISSN: 0014-8601, 2189-7026
• [Journal Article] Three-dimensional cultured liver-on-a-Chip with mature hepatocyte-like cells derived from human pluripotent stem cells (2019)
  • Author(s): Ken-ichiro Kamei, Momoko Yoshioka, Shiho Terada, Yumie Tokunaga, Yong Chen
  • Journal Title: Biomedical Microdevices Volume: 21 Pages: 73-73
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Direct synthesis of self-organized blastocyst-like cysts derived from human pluripotent stem cells (2019)
  • Author(s): Wen Xiaopeng、Terada Shiho、Yoshimoto Koki、Kamei Ken-ichiro
  • Journal Title: bioRxiv Volume: 0 Pages: 831487-831487
  • DOI: 10.1101/831487
  • Open Access
• [Journal Article] Fabrication of a Multiplexed Artificial Cellular MicroEnvironment Array (2018)
  • Author(s): Mashimo, Y., Yoshioka, M., Tokunaga, Y., Fockenberg, C., Terada, S., Koyama, Y., Shibata-Seki, T., Yoshimoto, K., Sakai, R., Hakariya, H., Liu, L., Akaike, T., Kobatake, E., How, SE., Uesugi, M., Chen, Y., Kamei, KI.
  • Journal Title: Journal of Visualized Experiments Volume: - Issue: 139
  • DOI: 10.3791/57377
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Genetic Signatures of Lipid Metabolism Evolution in Cetacea (2018)
  • Author(s): Endo Yoshinori、Kamei Ken-ichiro、Inoue-Murayama Miho
  • Journal Title: BioRxiv Volume: なし Pages: 250597-250597
  • DOI: 10.1101/250597
  • Open Access
• [Journal Article] Robust direct differentiation and maturation of human pluripotent stem cells to hepatocyte-like cells (2017)
  • Author(s): Kamei Ken-ichiro、Yoshioka Momoko、Terada Shiho、Tokunaga Yumie、Chen Yong
  • Journal Title: BioRxiv Volume: なし Pages: 232215-232215
  • DOI: 10.1101/232215
  • Open Access
• [Presentation] Transplantable nano cellular matrices for scaled-up culture of human ES/iPS cells (2019)
  • Author(s): Ken-ichiro Kamei
  • Organizer: ISSCR2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] マイクロ・ナノ工学による 生体システム再構築への挑戦 (2019)
  • Author(s): 亀井謙一郎
  • Organizer: 日本組織培養学会 第92回大会 日本動物実験代替法学会合同シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Reverse bioengineering of living systems for drug discovery (2019)
  • Author(s): Ken-ichiro Kamei
  • Organizer: Microfluidics & Organ-on-a-Chip Asia 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 有限要素解析を用いた経上皮電気抵抗測定マイクロ流体デバイス内電極形状の設計 (2019)
  • Author(s): 宮崎貴史, 平井義和, 亀井謙一郎, 土屋智由, 田畑修
  • Organizer: 平成31年電気学会全国大会, 電気学会
• [Presentation] Micro Physiological Systemsへの集積のためのイオン液体型圧力センサ (2019)
  • Author(s): 辻勇亮, 平井義和, 亀井謙一郎, 土屋智由, 田畑修
  • Organizer: 細胞アッセイ技術の現状と将来, 細胞アッセイ研究会
• [Presentation] 経上皮電気抵抗測定マイクロ流体デバイスにおける電極形状の検討 (2019)
  • Author(s): 宮崎貴史, 平井義和, 亀井謙一郎, 土屋智由, 田畑修
  • Organizer: 細胞アッセイ技術の現状と将来, 細胞アッセイ研究会
• [Presentation] Nano/microengineered Environmental Cues for Precise Controls of Stem Cell Functions (2018)
  • Author(s): Ken-ichiro Kamei
  • Organizer: The 10th International Symposium on Microchemistry and Microsystems (ISMM 2018)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ボディ・オン・チップ： マイクロ・ナノ工学による「ヒト」モデルの開発とその展望 (2018)
  • Author(s): 亀井 謙一郎
  • Organizer: 第62回システム制御情報学会研究発表講演会
  • Invited
• [Presentation] ボディ・オン・チップ： マイクロ・ナノ工学による「ヒト」モデルの開発とその展望 (2018)
  • Author(s): 亀井 謙一郎
  • Organizer: 第90回 大阪大学工業会機械工学系技術交流会
  • Invited
• [Presentation] Body on a Chip to recapitulate in vivo physiological conditions in a micro chip (2018)
  • Author(s): Ken-ichiro Kamei
  • Organizer: 15th Meeting of Asian-Pacific Society for Neurochemistry (APSN 2018)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Solving the environmental issues for cells: Towards precise regulation of stem cell functions (2018)
  • Author(s): Ken-ichiro Kamei, Yoshie Koyama,Christopher Fockenberg, Momoko Yoshioka, Shiho Terada, Takafumi Mano and Satoshi Imamura
  • Organizer: 5th TERMIS World Congress - 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Recapitulation of the cellular microenvironments: Towards re-creation of living systems into a chip (2018)
  • Author(s): Ken-ichiro Kamei
  • Organizer: 第1751回 雑誌会 / Zasshikai No. 1751 since 1890 東京大学理学部化学教室
  • Invited
• [Presentation] マイクロ・ナノ工学による 生体外「ヒト」モデル開発 (2018)
  • Author(s): 亀井 謙一郎
  • Organizer: 日本環境変異原学会第47回大会
  • Invited
• [Presentation] FLUIDIC-CAPACITOR INTEGRATED MICROFLUIDIC PLATFORM TO MIMIC HEART BEATING FOR GENERATION OF FUNCTIONAL LIVER ORGANOIDS (2018)
  • Author(s): Jiaxu Wu, Yoshikazu Hirai, Ken-ichiro Kamei, Toshiyuki Tsuchiya, and Osamu Tabata
  • Organizer: MicroTAS 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 心臓鼓動を模倣する流体キャパシタを集積した肝臓オルガノイド作製用マイクロ流体デバイス (2018)
  • Author(s): 呉家旭, 平井義和, 亀井謙一郎, 土屋智由, 田畑修
  • Organizer: 第35回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム, 電気学会
• [Presentation] 3次元リソグラフィを応用したイオン液体型高感度圧力センサの作製と特性評価 (2018)
  • Author(s): 辻勇亮, 平井義和, 亀井謙一郎, 土屋智由, 田畑修
  • Organizer: 第9回マイクロ・ナノ工学シンポジウム, 日本機械学会
• [Presentation] 経上皮電気抵抗測定に用いる銀/塩化銀平面電極搭載マイクロ流体デバイスの作製 (2018)
  • Author(s): 宮崎貴史, 平井義和, 亀井謙一郎, 土屋智由, 田畑修
  • Organizer: 平成30年度電気学会センサ・マイクロマシン部門総合研究会, 電気学会
• [Presentation] Body-on-a-Chipへの搭載を目的としたイオン液体型圧力センサ (2018)
  • Author(s): 辻勇亮, 中野優, 平井義和, 亀井謙一郎, 土屋智由, 田畑修
  • Organizer: 細胞アッセイ技術の現状と将来, 細胞アッセイ研究会
• [Presentation] 抗がん剤の副作用を再現する生体外ヒトモデルBody on a Chip (2017)
  • Author(s): 亀井謙一郎，平井義和，加藤義基，土屋智由，田畑修
  • Organizer: 日本機械学会 第29回バイオエンジニアリング講演会
  • Invited
• [Presentation] Integrated Heart/Cancer on a Chip: Towards recapitulation of side effects (2017)
  • Author(s): Ken-ichiro Kamei, Yoshiki Kato, Yoshikazu Hirai, Toshiyuki Tsuchiya, Yong Chen and Osamu Tabata
  • Organizer: IEEE NEMS
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Solving the environmental issues for cells: Towards precise regulation of stem cell functions (2017)
  • Author(s): Ken-ichiro Kamei
  • Organizer: ESACT2017
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 再生医療へ向けたナノ繊維の新展開 (2017)
  • Author(s): 亀井謙一郎
  • Organizer: 日本繊維機械学会
  • Invited
• [Presentation] マイクロ・ナノ微細加工技術による3次元組織工学 (2017)
  • Author(s): 亀井謙一郎
  • Organizer: 第90回日本組織培養学会
  • Invited
• [Presentation] Solving the environmental issues for cells: Towards precise regulation of stem cell functions (2017)
  • Author(s): Ken-ichiro Kamei, Yoshiki Kato, Yoshikazu Hirai, Toshiyuki Tsuchiya, Yong Chen and Osamu Tabata
  • Organizer: IUMRS-ICAM
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Body on a Chip: 生体外ヒトモデルの開発とその応用 (2017)
  • Author(s): 亀井謙一郎
  • Organizer: 応用物理学会秋季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] マイクロ・ナノ工学による生体外「ヒト」モデル開発とGood Cell Culture Practiceへの貢献 (2017)
  • Author(s): 亀井謙一郎
  • Organizer: 日本動物実験代替法学会第30回大会
  • Invited
• [Book] 臓器チップの技術と開発動向 (2018)
  • Author(s): 亀井謙一郎（監修 酒井康行,金森敏幸）
  • Total Pages: 293
  • Publisher: シーエムシー出版
• [Remarks] The Kamei Group
  • URL: https://ken1kameigroup.org/
• [Remarks] 角膜・オン・チップの開発に成功 「まばたき」も再現！
  • URL: http://www.icems.kyoto-u.ac.jp/ja/news/5302
• [Remarks] Eye blinking on-a-chip
  • URL: http://www.icems.kyoto-u.ac.jp/en/news/5307
• [Remarks] iCeMSリーダーインタビュー | 亀井謙一郎准教授
  • URL: https://youtu.be/9Iyv7R-BV8k
• [Patent(Industrial Property Rights)] マイクロ流体デバイス、細胞培養システムおよび細胞培養方法 (2020)
  • Inventor(s): 亀井 謙一郎
  • Industrial Property Rights Holder: 京都大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2020-190869
  • Filing Date: 2020
• [Patent(Industrial Property Rights)] 多能性幹細胞からの胚盤胞様構造体の作製法 (2019)
  • Inventor(s): 亀井謙一郎、文小鵬、寺田志穂
  • Industrial Property Rights Holder: 亀井謙一郎、文小鵬、寺田志穂
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2019-194606
  • Filing Date: 2019
• [Patent(Industrial Property Rights)] マイクロ流体デバイス (2019)
  • Inventor(s): 亀井 謙一郎、平井 義和、田畑 修、宮崎 貴史
  • Industrial Property Rights Holder: 亀井 謙一郎、平井 義和、田畑 修、宮崎 貴史
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2019
• [Patent(Industrial Property Rights)] 細胞培養チップ (2018)
  • Inventor(s): 亀井 謙一郎、山中 誠
  • Industrial Property Rights Holder: 亀井 謙一郎、山中 誠
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2018
• [Patent(Industrial Property Rights)] 細胞培養チップ及びその製造方法 (2018)
  • Inventor(s): 亀井 謙一郎、山中 誠
  • Industrial Property Rights Holder: 亀井 謙一郎、山中 誠
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2018
• [Patent(Industrial Property Rights)] 細胞培養容器 (2018)
  • Inventor(s): 亀井 謙一郎、平井 義和、田畑 修、福江 久美子
  • Industrial Property Rights Holder: 亀井 謙一郎、平井 義和、田畑 修、福江 久美子
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2018