Elucidation of mechanism of ischemia-reperfusion injury using heart-, brain-, and kidney-on-a-chips

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20H04518
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 90110:Biomedical engineering-related
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: Takahashi Ken 岡山大学, 医歯薬学域, 准教授 (50432258)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• 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)

Outline of Final Research Achievements

We established a human iPS cell line with the TRPM4 gene knocked out using CRISPR/Cas9, confirming normal proliferation and differentiation into cardiomyocytes. This enables the evaluation of ischemia-reperfusion injury without TRPM4 activity. Additionally, we successfully developed a human heart-on-a-chip comprising vascular endothelial cells, fibroblasts, and iPS-derived cardiomyocytes, which showed physiological responses and drug reactions similar to an in vivo heart. Furthermore, we achieved live imaging of calcium ions and nitric oxide, facilitating the assessment of endothelial cell function. We also developed a kidney-on-a-chip model from proximal tubular cells and vascular endothelial cells, which demonstrated in vivo-like transport of glucose and urea nitrogen.

Free Research Field

生体医工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究は、ヒト心臓チップおよびヒト腎臓チップの作成方法を確立し、動物実験よりもより正確にヒト心臓および腎臓の機能を評価しうる方法を提供した点で、社会的な意義が大きい。これらの臓器チップモデルを発展させることにより、虚血再灌流にとどまらず、心不全や腎不全などの疾患を模擬することが可能となる。また、心筋梗塞、脳梗塞、および虚血再灌流障害に関与していると考えられるTRPM4チャネルのノックアウトを、ヒトiPS細胞で行った。このノックアウト細胞は、様々な細胞に分化させることができ、TRPM4チャネルが関与すると考えられる生理機能の検証や、疾患メカニズムの解明に貢献すると期待される。