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An integrated body-on-a-chip mimicking physiological parameters

Research Project

Project/Area Number 18H01849
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 28050:Nano/micro-systems-related
Research InstitutionTokai University

Principal Investigator

木村 啓志  東海大学, マイクロ・ナノ研究開発センター, 教授 (40533625)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 小森 喜久夫  近畿大学, 工学部, 准教授 (60431813)
Project Period (FY) 2018-04-01 – 2023-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Fiscal Year 2018: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000)
KeywordsOrgan-on-a-chip / MPS / マイクロ流体デバイス / 生体模倣システム / Body-on-a-chip / ADME / 創薬 / マイクロ生理学モデル
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。

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。

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。

Report

(4 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report

Research Products

(122 results)

All 2022 2021 2020 2019 2018 Other

All Int'l Joint Research (4 results) Journal Article (17 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 8 results,  Open Access: 11 results) Presentation (87 results) (of which Int'l Joint Research: 20 results,  Invited: 30 results) Book (5 results) Remarks (4 results) Patent(Industrial Property Rights) (5 results) (of which Overseas: 1 results)

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      K. Doi, H. Kimura, M. Nangaku, Y.T. Matsunaga, T. Fujii
    • Organizer
      micro TAS 2021
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  • [Presentation] DIALYSIS MEMBRANE-INTEGRATED MICROPHYSIOLOGICAL SYSTEM FOR MAINTAINING CELL CULTURE ENVIRONMENT2021

    • Author(s)
      Y. Ito, K. Shinha, H. Kimura
    • Organizer
      micro TAS 2021
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 肝スフェロイドを導入した多臓器生体模倣システムの機能評価2021

    • Author(s)
      上田大貴, 榛葉健汰, 西川昌輝, 酒井康行, 木村啓志
    • Organizer
      日本機械学会2021年度 年次大会
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  • [Presentation] Microphysiological System (MPS) を用いた近位尿細管細胞の薬剤毒性試験2021

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      後藤智美, 二瓶渉, 佐藤新, 原夕賀, 中村寛子, 木村啓志
    • Organizer
      日本機械学会2021年度 年次大会
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  • [Presentation] オンチップポンプ型多臓器Microphysiological system(MPS)を用いた薬剤評価試験2021

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      榛葉健汰, 二瓶渉, 中村寛子, 後藤智美, 西川昌輝, 酒井康行, 木村啓志
    • Organizer
      日本機械学会2021年度 年次大会
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    • Author(s)
      堀優真, 福田裕亮, 木村啓志, 小森喜久夫
    • Organizer
      電気化学会関東支部・第39回夏の学校
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  • [Presentation] Microphysiological systems based on microfluidics for cell-based assays2021

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      Hiroshi Kimura
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      ISUPEN2021
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  • [Presentation] 薬物毒性評価のための高次腎臓モデル:糸球体オンチップデバイス2021

    • Author(s)
      木村啓志
    • Organizer
      イノベーション・ジャパン2021
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  • [Presentation] Thin porous PDMS membrane prepared by phase separation method and its applications for cell culture2021

    • Author(s)
      J. H. Yap, H. Zhang, Y. Okamura, H. Kimura
    • Organizer
      American Association for Advances in Functional Materials 2021 (AAAFM 2021)
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  • [Presentation] マイクロ流体デバイスを基盤とする培養システムとイメージング技術との融合2021

    • Author(s)
      木村啓志
    • Organizer
      第9回 Chem-Bio Joint Seminar 2021
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  • [Presentation] 細胞培養可能な相分離法によるPDMS製多孔膜の開発2021

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      Jin Hong Yap, Hong Zhang, 岡村陽介, 木村啓志
    • Organizer
      Cheminas 43
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  • [Presentation] 肝スフェロイドを導入した多臓器生体模倣システムの機能評価2021

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      上田大貴, 榛葉健汰, 西川昌輝, 酒井康行, 木村啓志
    • Organizer
      Cheminas 43
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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

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      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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  • [Presentation] GDH修飾SWCNT電極による初代ラット肝培養細胞の糖代謝・糖新生モニタリングの試み2021

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      小森喜久夫、碓井政貴、酒井康行、木村啓志
    • Organizer
      電気化学会第88回大会
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      上田大貴, 榛葉健汰, 伊藤優冶, 西川昌輝, 酒井康行, 木村啓志
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      伊藤優冶, 榛葉健汰, 二瓶渉, 木村啓志
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      茂田海斗, 榛葉健汰, 伊藤優冶, 二瓶渉, 木村 啓志
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      植木崇, 碓井政貴, 小森喜久夫, 酒井康行, 木村啓志
    • Organizer
      日本機械学会 関東支部 第27期総会・講演会
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  • [Presentation] Microphysiological system(MPS)の基礎から最新研究動向2021

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      木村啓志
    • Organizer
      情報機構㈱
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      二瓶渉, 鶴間章典, 中村寛子, 木村啓志
    • Organizer
      細胞アッセイ研究会
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  • [Presentation] 創薬応用に向けたMicrophysiological Systems2021

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      木村啓志
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      K. Komori, M. Usui, Y. Sakai, and H. Kimura
    • Organizer
      PRiME 2020
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      小森喜久夫
    • Organizer
      The 5th International Workshop on Advanced Nanoscience and Nanomaterials
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  • [Presentation] Microphysiological systems based on microfluidics for cell-based assays2020

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      H.Kimura
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      2020 IEEE NANOMED
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      木村啓志
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      第29回日本コンピュータ外科学会
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      鶴間章典, 中村寛子, 木村啓志
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      第5回トランスポーター研究会関東支部回(JTRAK2020)
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      榛葉健汰, 伊藤優冶, 稲村恒亮, 西川昌輝, 酒井康行, 木村 啓志
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      第27回HAB研究機構学術年会
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      第61回日本腎臓学会学術総会
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  • [Remarks] 東海大学工学部機械工学科 木村啓志研究室

    • URL

      http://www.kimura-lab.info/

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      2020 Annual Research Report 2019 Annual Research Report
  • [Remarks] http://www.kimura-lab.info/

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  • [Patent(Industrial Property Rights)] 腎臓濾過機能再現装置、腎臓濾過機能評価装置、及び腎臓濾過機能評価方法2021

    • Inventor(s)
      藤井輝夫, 南学正臣, 土肥浩太郎, 木村啓志
    • Industrial Property Rights Holder
      藤井輝夫, 南学正臣, 土肥浩太郎, 木村啓志
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2021
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Overseas
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 細胞培養基材、細胞培養用樹脂薄膜、および細胞培養方法2020

    • Inventor(s)
      木村啓志, 福田篤, 岡村陽介, 喜多理王, 大友麻子, 張宏
    • Industrial Property Rights Holder
      学校法人東海大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2020-206366
    • Filing Date
      2020
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 細胞毒性を評価する方法及び装置2020

    • Inventor(s)
      木村啓志,榛葉健汰,伊藤優冶
    • Industrial Property Rights Holder
      木村啓志,榛葉健汰,伊藤優冶
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2020
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 温度感受性不死化ポトサイトを入れ組む樹状突起様細胞骨格へ誘導する培養法2019

    • Inventor(s)
      藤井輝夫,南学正臣, 土肥浩太郎,木村啓志
    • Industrial Property Rights Holder
      藤井輝夫,南学正臣, 土肥浩太郎,木村啓志
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2019
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 送液装置および送液方法2019

    • Inventor(s)
      木村啓志, 中村寛子 ほか4名
    • Industrial Property Rights Holder
      木村啓志, 中村寛子 ほか4名
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2019
    • Related Report
      2019 Annual Research Report

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Published: 2018-04-23   Modified: 2022-12-28  

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