2021 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。
2021年度では、前年度までに開発したマルチウェルプレート型Organs-on-a-chipを用いて、初代培養肝細胞および標的がん細胞の共培養系を確立し、薬効毒性試験を実施した。その機能検討を実施した。この結果、創薬プロセスで従来利用されているコンディションド培地を利用した薬効結果と比して、我々のシステムをOrgans-on-a-chipを利用した結果では、薬効結果に差違が生じることが明らかとなった。機能統合に向けた各要素の改良検討については、スターラ式ポンプの駆動条件を明らかにすると共に、電気化学式グルコースセンサについては、研究分担者の近畿大学小森と共同して改良とその評価を実施し、それぞれの機能の集積化を実現したマルチウェルプレート型のOrgans-on-a-chipの完成に至った。
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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
2021年度では、機能統合型Body-on-a-chipの実現に向けて、主に、①マルチウェルプレート型Organs-on-a-chipの開発と②機能統合に向けた機能要素の改良について取り組んだ。
①については、前年度までに開発した汎用性の高いマルチウェルプレート型のOrgans-on-a-chipの機能検討として、ヒト肝細胞キメラマウス由来の初代培養肝細胞と標的がん細胞を共培養し、薬効試験を実施した。この結果、創薬プロセスで従来利用されているコンディションド培地を利用した薬効結果と比して、我々のシステムをOrgans-on-a-chipを利用した結果では、薬効結果に差違が生まれることが明らかとなった。これは肝臓の薬剤代謝能や灌流の影響が薬効の結果に影響するためであると考えられる。
②については、前年度に引き続きオンチップ型のスターラ式ポンプと電気化学式グルコースセンサについてそれぞれ、機能改良に向けた基礎研究を実施した。スターラ式ポンプについては、送液原理の解明と構造の最適化の検討を進めた。2021年度中では送液原理の解明までには至っていないものの、安定した送液を実現するための要件についてはその条件が明らかになりつつあり、特許出願準備中である。電気化学式グルコースセンサについては、①で開発中のOrgans-on-a-chipに組み込むための技術的検討を実施した。この結果、最終的にセンサの作製プロセスを最適化することで、グルコースセンサを集積化したOrgans-on-a-chipを完成させた。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度となる2022年度には、開発したマルチウェルプレート型のOrgans-on-a-chipを用いて、引き続き薬剤応答試験を実施していく。併せて、筋・腎・脂肪などの他臓器の導入も進める。ここでは、株化細胞のほか、初代培養細胞やヒトiPS由来細胞の共培養系を用いて、より信頼性の高い評価実験を実施する予定である。加えて数理モデルを構築して、Organs-on-a-chip のin vitro系における薬物動態評価の可能性を模索する。数理モデルの基礎は、2019年度に構築済みであり、これを応用可能な状況である。ポンプやセンサなどの機能要素については、2021年度中にOrgans-on-a-chipへの機能統合を実現したため、これを用いて細胞毒性試験を実施することで、細胞アッセイプラットフォームとしての有用性を検証する予定である。
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[Journal Article] オンチップポンプ型多臓器Microphysiological system(MPS)を用いた臓器間相互作用の評価2021
Author(s)
榛葉健汰, 二瓶渉, 中村寛子, 河西巧, 後藤智美, 荒川大, 稲村恒亮, 西川昌輝, 加藤将夫, 酒井康行, 木村啓志
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Journal Title
化学とマイクロ・ナノシステム
Volume: 20
Pages: 52～53
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[Presentation] 好気的培養環境下での肝細胞の糖代謝・糖新生の電気化学モニタリングデバイスへの応用2022
Author(s)
小森喜久夫, 碓井政貴, 畑野航平, 堀優真, 朱東晨, 廣納敬太, 時任文弥, 福田裕亮, 西川昌輝, 酒井康行, 木村啓志
Organizer
シンポジウム：細胞アッセイ技術の現状と将来
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[Presentation] オンチップポンプ型多臓器Microphysiological system(MPS)を用いた臓器間相互作用の評価2021
Author(s)
榛葉健汰, 二瓶渉, 中村寛子, 河西巧, 後藤智美, 荒川大, 稲村恒亮, 西川昌輝, 加藤将夫, 酒井康行, 木村啓志
Organizer
Cheminas 43
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