2022 Fiscal Year Annual Research Report
Elucidation of mechanism of ischemia-reperfusion injury using heart-, brain-, and kidney-on-a-chips
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20H04518
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
高橋 賢 岡山大学, 医歯薬学域, 研究准教授 (50432258)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 心筋梗塞 / 脳梗塞 / 腎臓移植 / 虚血再灌流障害 / 臓器チップ / 活性酸素種(ROS) / 一酸化窒素(NO) |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題は「ヒトの心筋梗塞、脳梗塞、および移植時の臓器障害に共通する病態メカニズムは存在するか」を核心をなす学術的な問いとして研究を行なっている。この共通の病態メカニズムに、細胞に発現しているイオンチャネルである一過性受容器電位チャネルサブタイプ M4 (TRPM4)の活動が関与していると仮定している。
2022年の研究において、TRPM4遺伝子をCRISPRノックアウトしたヒトiPS細胞は、野生型細胞とほぼ同様の速度で増殖し、自発的収縮を示す心筋細胞に分化誘導できることを明らかにした。
次に、虚血再灌流状態で発生する活性酸素種(ROS)の発生機構解明のため、マイクロ流体チップ上で培養した血管内皮細胞を用い、ROSおよび一酸化窒素(NO)のライブイメージングを行った。NOイメージングでは、高血圧を模擬した圧力刺激に対するNOの放出が見られた。また、心臓の拡張を模擬する伸展刺激を加えたときにもNOの放出が見られた。
iPS細胞から心筋細胞への分化誘導度をトランズウェルとマイクロ流体チップとで比べたところ、心筋の自発的な収縮が見られたのはチップでは分化誘導開始後 16 日目だったのに対し、トランスウェルでは 23 日目だった。また、心筋細胞の特異的マーカーである心臓トロポニンTの発現量は、トランズウェルよりもチップの方が高かった。このことは、iPS細胞から心筋への分化誘導には、培地の灌流を行わないトランズウェルよりも、灌流を行うマイクロ流体チップの方が有利であることを示している。
これらの成果により、European Heart Journal誌などで論文2報、欧州心臓病学会などで学会発表7件を行なった（招待講演1件、国際学会3件）。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
心臓チップ、腎臓チップに関しては順調に開発が進んでいるものの、血液脳関門チップに関してはまだ開発が進んでいないため。
また、各臓器チップに対して虚血再灌流障害の模擬条件を曝露する実験、およびヒト血液を灌流する実験系の確立も進めていく必要がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
血液脳関門チップの開発を進める。具体的には、星状細胞、周皮細胞、および脳微小血管内皮細胞をマイクロ流体チップ上で共培養し、血液脳関門が備える高い血管バリア機能を再現する。これに先立ち、トランズウェルを用いたシステムによりこの共培養の予備実験を行う。
腎臓チップに関し、虚血再灌流障害を模擬した状態での組織障害と機能障害とを評価する。具体的には、虚血再灌流障害の模擬条件として過酸化水素水の投与、および低酸素曝露-再酸素化処理を行う。組織障害の評価には、血管内皮細胞のマーカータンパク質CD31の蛍光免疫染色を行う。また機能障害の評価には、グルコース輸送能の評価と物質の透過性アッセイを行う。
この実験に先立ち、96ウェルプレート上に沈尿細管上皮細胞を培養し、TRPM4受容体の阻害薬である9-Phenanthrolを前投与したのちに過酸化水素水投与を行うことにより、過酸化水素による細胞障害がTRPM4チャネルの活動抑制により軽減されるかを評価する。
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