2019 Fiscal Year Annual Research Report
An integrated body-on-a-chip mimicking physiological parameters
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18H01849
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| Research Institution | Tokai University |
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Principal Investigator |
木村 啓志 東海大学, 工学部, 准教授 (40533625)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小森 喜久夫 近畿大学, 工学部, 准教授 (60431813)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | Organ-on-a-chip / マイクロ流体デバイス / 生体模倣システム / ADME / 創薬 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
創薬分野では非臨床試験において、実験動物を使ったin vivo試験や培養細胞を用いたin vitro試験が実施されているが、ヒトと実験動物の種差やin vivoとin vitroの乖離に起因する医薬品開発コストの増加が社会的問題となっている。そこで本研究では、この乖離を補完するための高次in vitro系として、マイクロ流体デバイス技術を活用した機能統合型Body-on-a-chipの構築を目指す。具体的には、本研究では医療・創薬分野への応用を見据えつつ、生物学的に新しい知見を得るための高次in vitro系として、①ADME（吸収(Absorption)・分布(Distribution)・代謝(Metabolism)・排泄(Excretion)）機能集積化、②生理学的パラメータ再現、③マイクロ電気化学センサ集積化 を実現する機能統合型Body-on-a-chipを構築する。
2019年度では、前年度までに開発した複数臓器型Organs-on-a-chipの機能評価として、数理モデルを構築するとともに、薬物相互作用に関する検討実験を実施した。その結果、Organs-on-a-chipと数理モデルを組み合わせることで、信頼性の高い未知のパラメータ予測が可能であることを明らかにした。また、多数の臓器機能集積化に向けて、操作性の高いマルチウェルプレート型のOrgans-on-a-chipを開発し、その初期検討を終了している。Organs-on-a-chip集積型センサについては、研究分担者の近畿大学小森らと共同でグルコースデヒドロゲナーゼを用いたマイクログルコースセンサを開発し、その評価を実施した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2019年度では、前年度までに開発した複数臓器型Organs-on-a-chipを用いて、薬物相互作用(DDI)に関する実験を実施した。具体的には、開発したOrgans-on-a-chipの機能評価として、抗がん剤と、肝臓の代謝活性に影響を与えうる複数の薬剤を併用投与し、その薬効変化を評価した。この結果、Organs-on-a-chip上で、薬の飲み合わせによる抗がん剤の薬効変化を再現することに成功した。さらに、これらの実験結果をもとに数理モデルを構築し、未知のパラメータを同定した。この数理モデルの薬効予測における信頼性を検証するために、Organs-on-a-chipを使った実験結果と比較し、DDI予測においてもOrgans-on-a-chipと数理モデルの併用が有用であることを実証した。
多数（４つ以上）の臓器機能を集積化して薬効毒性を評価する上で、マイクロ流路型のOrgans-on-a-chipでは操作性に難がある。そこで、2019年度中に、汎用性の高いマルチウェルプレート型のOrgans-on-a-chipを開発し、利便性の高い共培養システムを構築した。初期の機能検討として、異なる臓器由来の細胞株を用いた共培養試験を実施し、その有用性を示した。
Organs-on-a-chip集積型のマイクロセンサの開発については、これまで利用していたグルコースオキシダーゼ（GOD）の代わりに、グルコースデヒドロゲナーゼ（GDH）を電極に固定化したグルコースセンサを開発した。GDHを利用する場合、電極表面にカーボンナノチューブを固定化することで、見かけの電極表面積を増大化することができるため、センサ出力の向上が見込まれた。検証実験の結果、GOD型のセンサに比してGDH型のセンサ感度が飛躍的に向上することが明らかとなった。
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年度では、マルチウェルプレート型のOrgans-on-a-chipを活用して、薬剤応答試験を実施していく。まずは、株化細胞を利用した共培養実験を実施していくが、早期に初代培養細胞やiPS由来細胞に移行して、より信頼性の高い評価実験を実施する予定である。また、共培養効果による細胞機能の向上などの副次的な効果の解析を進めていく予定である。Organs-on-a-chip集積型センサについては、グルコースデヒドロゲナーゼ型センサの感度および長期安定性の向上を目指して、センサ電極酵素膜の構成の最適化検討を実施する方針である。
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