ヒト胎盤チップ開発の挑戦

2015 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 15K12500
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 船本 健一 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 准教授 (70451630)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: マイクロ・ナノデバイス / 細胞・組織 / ナノバイオ / 生物・生体工学 / 流体工学

Outline of Annual Research Achievements

平成27年度は、ヒト胎盤の構造と機能を有する生体外モデル「ヒト胎盤チップ」を設計し、その内部で細胞性栄養膜細胞と血管内皮細胞を培養して細胞性栄養膜と血管内皮細胞層をそれぞれ形成する方法について研究を行った。ヒト胎盤チップの設計においては、ヒト胎盤の層構造を再現する流路パターンを有し、母体血液と胎児血液中の酸素濃度の差を模擬した酸素濃度勾配を生成できるようにした。具体的には、ヒト胎盤内の絨毛間腔（母体血貯留）を模擬するメディア流路（細胞培養液の流路）と胎児血管を模擬するメディア流路に、生体外マトリクスを模擬する3本のゲル流路①，②，③が挟まれている構造とした。2本のメディア流路は独立しており、異なる培地を還流させたり、ゲルの両側に圧力差を発生させたりすることができる。また、中央のゲル流路②を最初は空洞にし、母体側のメディア流路に接するゲル流路①の表面で細胞性栄養膜細胞の培養を、胎児側のメディア流路に接するゲル流路③の表面で血管内皮細胞の培養を、異なる細胞間の相互作用のない状態で別々に同時に行えるようにした。各細胞の増殖後、中央のゲル流路②にゲル溶液を注入してゲル化させることで、細胞間の相互作用の観察を行うことができる。また、酸素濃度の制御については、制御性能（酸素濃度と制御応答時間）に関する数値解析を行い、ガス流路をメディア流路の上方または下方に3次元的に配置することにした。その結果、酸素濃度1％未満の均一な低酸素状態や、ゲル流路において線形の酸素濃度勾配の生成が可能になった。さらに、各細胞の単層を形成する方法について、特に血管内皮細胞を用いて実験条件（細胞を播種する際の細胞密度，ゲルの密度とpH，流路のコーティング，細胞培養日数）の検討を行った。細胞播種時にコラーゲンゲル上に細胞を定着させることが重要であり、細胞の接着を促進するためのノウハウを蓄積した。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

ヒト胎盤チップの構造の設計に時間を要したため、チップの内部で細胞性栄養膜細胞と血管内皮細胞を実際に共培養する今年度の当初の目標の全てを達成するまでには至らなかった。

Strategy for Future Research Activity

引き続き、開発したヒト胎盤チップ内に、胎盤を構成する主な細胞である細胞性栄養膜細胞と血管内皮細胞を播種し、ゲル表面にそれぞれの単層を形成する方法の確立に取り組む。具体的には、実験条件（細胞を播種する際の細胞密度，ゲルの密度とpH，流路のコーティング，細胞培養日数）の最適化を行う。胎盤を構成する細胞性栄養膜細胞と血管内皮細胞をそれぞれ単一培養し、常酸素状態および一様な低酸素状態、酸素濃度勾配下において各細胞の観察を行う。その結果に基づいて2つの細胞の共培養を行い、細胞性栄養膜細胞同士が融合する合胞体性栄養膜の形成と血管内皮細胞による血管新生の胎盤形成過程に対して酸素濃度が与える影響を明らかにする。ここでは、ヒト胎盤チップ内で細胞性栄養膜細胞と血管内皮細胞を播種して培養し、左右のガス流路に酸素濃度の異なるガスを供給して母体側と胎児側の酸素濃度の差異を模擬し、酸素濃度勾配下において時系列の細胞観察を行う。そして、細胞性栄養膜細胞と血管内皮細胞の挙動と、それらの細胞間の相互作用を調べる。さらに、蛍光デキストラン溶液を各メディア流路に注入し、そのゲル流路内への拡散について時系列の蛍光顕微鏡観察を行うことにより、合胞体性栄養膜と細胞性栄養膜、血管内皮細胞層の各層の物質透過性を定量評価する。