• Search Research Projects
  • Search Researchers
  • How to Use
  1. Back to previous page

Fabrication of Stroke-on-a-Chip using microfluidic devices and validation using patient-derived tissue

Research Project

Project/Area Number 22K18319
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 28:Nano/micro science and related fields
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

横川 隆司  京都大学, 工学研究科, 教授 (10411216)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 冨田 努  国立研究開発法人国立循環器病研究センター, 病院, 客員研究員 (50402897)
朝野 仁裕  国立研究開発法人国立循環器病研究センター, 病院, 部長 (60527670)
Project Period (FY) 2022-06-30 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000)
Fiscal Year 2024: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000)
Fiscal Year 2023: ¥9,100,000 (Direct Cost: ¥7,000,000、Indirect Cost: ¥2,100,000)
Fiscal Year 2022: ¥9,100,000 (Direct Cost: ¥7,000,000、Indirect Cost: ¥2,100,000)
Keywordsナノマイクロ加工 / BioMEMS / ナノマイクロバイオシステム / 再生医工学 / 人工臓器学
Outline of Research at the Start

本研究では、ミニ臓器である大脳オルガノイドに対して、急激な血圧・血流変化を付与することにより、虚血性脳卒中の病態を模倣するStroke-on-a-Chip(脳卒中チップ)を作製する。さらに、チップを用いて得られた脳卒中誘導因子について、患者の遺伝子発現解析により検証する、新たなバイオマーカー探索研究領域を拓く。近年、チップ内においてオルガノイドを培養するOrganoid-on-a-Chip研究により血管化オルガノイドを実現し、さらに血圧・血流を制御する機構を付与し、チップ上において部位特異的な虚血状態を再現するSoC製作を実施する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、大脳オルガノイドを用いて虚血性脳卒中の病態を模倣するStroke-on-a-Chip(SoC、脳卒中チップ)を作製する。さらに、SoCを用いて得られた脳卒中誘導因子について、患者の遺伝子発現解析により検証する、新たなバイオマーカー探索研究領域を拓くことが研究目的である。2023年度は、それぞれ以下の項目に取り組んだ。
【研究計画1】血管新生促進・阻害因子の時空間的解析に基づく脳オルガノイドの血管化:血管床と大脳オルガノイドの共培養では、一時的に血管新生が進むものの、最終的に血管構造が縮退する。オルガノイドから部位特異的に細胞を取得する技術を2022年度に確立し、その最適化とマイクロアレイ解析を進めた。オルガノイド中心部の低酸素領域のみだけでなく、周辺部の血管貫入部位についても細胞を取得しGO解析を実施したところ、血管新生、アポトーシス関連遺伝子の発現が変化していた。血管新生関連因子についてオンチップでの評価を実施し、オルガノイドの共培養時に添加することで、血管新生頻度が上昇すること、オルガノイドの内部への血管侵入が見られることがわかった。
【研究計画2】血圧・血流制御によるSoC作製:培地導入用インレットとアウトレットの形状を工夫することで、灌流できる血管網構造を維持し計画1を実施した。この血管床については、機械学習を活用した成熟度の評価や数理モデルを活用した血管網形成の理解を進める予定である。
【研究計画3】ヒト死後脳虚血組織を用いたSoCモデルの検証:冨田Gと京都大学において中央一括審査を終了し、試料を京都大学に移動した。この前後で、冨田の異動に伴い、研究分担者を朝野に交代し試料に関する情報のやり取りを進めた。これまでに、ヒト倫理審査を経て13症例を選定しており、脳切片から数~数10細胞レベルで細胞を取得し、タンパク質・遺伝子発現解析を実施する環境までを整えた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

それぞれの研究項目について以下の成果が得られており、進捗は概ね順調である。
【研究計画1】血管新生促進・阻害因子の時空間的解析に基づく脳オルガノイドの血管化:遺伝子解析のための細胞回収技術を確立しており、共培養10日間の遺伝子解析を実施することで血管新生やアポトーシスに関する遺伝子発現低下を捉えた。血管新生関連因子については、オンチップでの検証を進めることができており、計画2で作製するStrokeとの対応を評価する技術基盤が確立した。
【研究計画2】血圧・血流制御によるStroke-on-a-Chip(脳卒中チップ)作製:リザーバに導入する培地量を変更することで、血管内腔を灌流できる基盤技術が整った。既に培地交換時などに灌流しながらオルガノイドの共培養を実施しており、遺伝子解析の結果が得られている。
【研究計画3】ヒト死後脳虚血組織を用いたStroke-on-a-Chipモデルの検証:本研究課題提案時より、国立循環器病センターの冨田Gと倫理審査の調整を続けてきた。倫理審査後、上記の通り担当を朝野に交代したがヒト脳卒中死後組織の閉塞コアとその周辺組織の輸送やそれに関わる情報を入手することはできており順調である。

Strategy for Future Research Activity

本研究では、ミニ臓器である大脳オルガノイドに対して、急激な血圧・血流変化を付与することにより、虚血性脳卒中の病態を模倣するStroke-on-a-Chipを作製する。さらに、チップを用いて得られた脳卒中誘導因子について、患者の遺伝子発現解析により検証する、新たなバイオマーカー探索研究領域を拓くことを目指している。2023年度は、マイクロ流体デバイスの設計・製作、オルガノイドと血管床の共培養により得られたオルガノイドや血管網の評価を進め、血管新生関連因子を用いることでオンチップでのオルガノイドの一部血管化を達成した。さらに、冨田(朝野)Gとの倫理審査後のヒト試料輸送を進めた。今後は、さらに遺伝子解析を進め、培養環境とオルガノイドの部位に応じた遺伝子解析を実施する。血管内腔を灌流できるアッセイ系を確立できたため、灌流や加圧条件を変更してオルガノイド培養をする予定であったが、担当していた博士研究員が2023年度途中で母国に帰国することとなったため、今後は主に課題3のヒト試料を用いた遺伝子解析を進める。朝野Gと共にヒト脳卒中死後組織の閉塞コアとその周辺組織を用いて遺伝子解析を実施し、オルガノイドのそれと相関を調べる。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Comments on the Screening Results
  • Research Products

    (40 results)

All 2024 2023 Other

All Journal Article (6 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 6 results) Presentation (33 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 17 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Deciphering potential vascularization factors of on-chip co-cultured hiPSC-derived cerebral organoids2024

    • Author(s)
      Shaji Maneesha、Tamada Atsushi、Fujimoto Kazuya、Muguruma Keiko、Karsten Stanislav L.、Yokokawa Ryuji
    • Journal Title

      Lab on a Chip

      Volume: 24 Issue: 4 Pages: 680-696

    • DOI

      10.1039/d3lc00930k

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Mimicking angiogenic microenvironment of alveolar soft-part sarcoma in a microfluidic coculture vasculature chip2024

    • Author(s)
      Chuaychob Surachada、Lyu Ruyin、Tanaka Miwa、Haginiwa Ayumi、Kitada Atsuya、Nakamura Takuro、Yokokawa Ryuji
    • Journal Title

      Proceedings of the National Academy of Sciences

      Volume: 121 Issue: 13

    • DOI

      10.1073/pnas.2312472121

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] SARS-CoV-2-induced disruption of a vascular bed in a microphysiological system caused by type-I interferon from bronchial organoids2024

    • Author(s)
      Fujimoto Kazuya、Kameda Yoshikazu、Nagano Yuta、Deguchi Sayaka、Yamamoto Takuya、Krol Rafal P.、Gee Peter、Matsumura Yasufumi、Okamoto Toru、Nagao Miki、Takayama Kazuo、Yokokawa Ryuji
    • Journal Title

      Lab on a Chip

      Volume: - Issue: 16 Pages: 3863-3879

    • DOI

      10.1039/d3lc00768e

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Evaluating Morphology and Functionality of On-Chip Vascular Network Derived from Human Umbilical Vein Endothelial Cells (HUVECs) during Long-Term Culture2023

    • Author(s)
      Kitada Atsuya、Shaji Maneesha、Irisa Taiga、Fujimoto Kazuya、Karsten Stanislav L.、Yokokawa Ryuji
    • Journal Title

      IEEJ Transactions on Sensors and Micromachines

      Volume: 143 Issue: 5 Pages: 82-88

    • DOI

      10.1541/ieejsmas.143.82

    • ISSN
      1341-8939, 1347-5525
    • Year and Date
      2023-05-01
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] ASPSCR1::TFE3 orchestrates the angiogenic program of alveolar soft part sarcoma2023

    • Author(s)
      Tanaka Miwa、Chuaychob Surachada、Homme Mizuki、Yamazaki Yukari、Lyu Ruyin、Yamashita Kyoko、Ae Keisuke、Matsumoto Seiichi、Kumegawa Kohei、Maruyama Reo、Qu Wei、Miyagi Yohei、Yokokawa Ryuji、Nakamura Takuro
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 14 Issue: 1

    • DOI

      10.1038/s41467-023-37049-z

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Pericytes and shear stress each alter the shape of a self-assembled vascular network2023

    • Author(s)
      Kazuya Fujimoto, Scott Erickson, Masamune Nakayama, Hiroki Ihara, Kei Sugihara, Yuji Nashimoto, Koichi Nishiyama, Takashi Miura, Ryuji Yokokawa
    • Journal Title

      Lab on a chip

      Volume: 23 Issue: 2 Pages: 306-306

    • DOI

      10.1039/d2lc00605g

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 血管と実組織の界面に着目した生体模倣システム(MPS)開発とその動向2024

    • Author(s)
      横川 隆司
    • Organizer
      新化学技術推進協会(JACI)ライフサイエンス技術部会 材料分科会講演会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] Perfusable on-chip vascular network for mechanobiology and developmental biology2024

    • Author(s)
      R. Yokokawa
    • Organizer
      EMBO Workshop: The New Cardiobology meeting 2024
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] Accessing the Inside of 3D Tissues Through On-Chip Vascular Network2024

    • Author(s)
      R. Yokokawa
    • Organizer
      FI EMS COLLOQUIUM
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] Accessing the Tumor Microenvironment: A Three-Dimensional On-Chip Vascular Network Approach2024

    • Author(s)
      R. Yokokawa
    • Organizer
      3rd Cancer Cells on Chip Workshop, ONCOLille Institute
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] Microphysiological Systems(MPS)の社会実装に向けた取り組み2024

    • Author(s)
      横川 隆司
    • Organizer
      第29回TOLICカンファレンス
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] On-chip Model of Tumor Angiogenesis in Translocation Renal Cell Carcinoma Incorporating Pericytes and Endothelial Cells.2023

    • Author(s)
      A. Kitada, H. Zhou, K. Fujimoto, M. Tanaka, M. Baba, T. Nakamura, R. Yokokawa
    • Organizer
      MicroTAS 2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Evaluation and Comparison of Angiogenic Sprouts According to the Origins of Endothelial Cells in an On-chip Alveolar Soft Part Sarcoma (ASPS) Angiogenesis Model.2023

    • Author(s)
      A. Haginiwa, S. Chuaychob, S. Matsumoto, M. Tanaka, K. Fujimoto, T. Nakamura, R. Yokokawa
    • Organizer
      MicroTAS 2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Artificial Intelligence-based Vessel-on-a-chip Platform for Accurate Identification of Development Stages in Vasculogenesis.2023

    • Author(s)
      H. Zhou, I. Taiga, K. Fujimoto, R. Yokokawa
    • Organizer
      MicroTAS 2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Time Course Analysis and Numerical Simulation of On-chip Vascular Bed Formation Toward Quantitative Understanding.2023

    • Author(s)
      K. Fujimoto, Y. Kameda, R. Yokokawa
    • Organizer
      MicroTAS 2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Modeling the interaction between tumor spheroids and vasculature using on-chip vascular bed platform.2023

    • Author(s)
      Y. Kameda, M. Tanaka, K. Fujimoto, T. Nakamura, R. Yokokawa
    • Organizer
      2nd MICROPHYSIOLOGICAL SYSTEMS WORLD SUMMIT BERLIN
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] オンチップ腫瘍モデルにおける転座型腎細胞がんの血管新生とペリサイトのαSMA発現上昇2023

    • Author(s)
      北田 敦也, Hang Zhou, 藤本 和也, 田中 美和, 馬場 理也, 中村 卓郎, 横川 隆司
    • Organizer
      第46回日本分子生物学会年会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 時系列的観察とモデル化に基づいた生体外における脈管形成過程の定量的評価2023

    • Author(s)
      藤本 和也, 亀田 良一, 横川 隆司
    • Organizer
      第46回日本分子生物学会年会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 血管内皮細胞とヒト不死化ポドサイトまたはヒトiPS細胞由来ポドサイト共培養によるオンチップ透過性評価2023

    • Author(s)
      亀田 良一, 藤本 和也, 吉岡 美樹, 山下 潤, 横川 隆司
    • Organizer
      第46回日本分子生物学会年会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Classifying Developmental Stages of On-Chip Vasculogenesis Using Deep Learning-Based Visual Recognition.2023

    • Author(s)
      H. Zhou, T. Irisa, K. Fujimoto, R. Yokokawa
    • Organizer
      第46回日本分子生物学会年会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 血管床―腎臓オルガノイド共培養による遺伝子発現変化の解析2023

    • Author(s)
      亀田 良一, 籔内 研佑, 谷口 純一, 荒岡 利和, 髙里 実, 藤本 和也, 横川 隆司
    • Organizer
      第40回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 定量的解析とモデル化によるオンチップ血管網形成過程の理解2023

    • Author(s)
      藤本 和也, 亀田 良一, 横川 隆司
    • Organizer
      第40回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 胞巣状軟部肉腫(ASPS)のオンチップモデルにおける血管枝の血管内皮細胞種による評価及び比較2023

    • Author(s)
      萩庭 歩美, Surachada Chuaychob, 松本 倫実, 田中 美和, 藤本 和也, 中村 卓郎, 横川 隆司
    • Organizer
      第40回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 転座型腎細胞がんの血管新生モデルにおける血管に対する周皮細胞の挙動2023

    • Author(s)
      北田 敦也, Hang Zhou, 藤本 和也, 田中 美和, 馬場 理也, 中村 卓郎, 横川 隆司
    • Organizer
      第40回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 時系列解析に基づいたオンチップ血管網形成過程の理解2023

    • Author(s)
      藤本 和也, 亀田 良一, 横川 隆司
    • Organizer
      化学とマイクロナノシステム学会 第47回研究会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] HBMECsとHUVECsを用いた胞巣状軟部肉腫モデルの血管壁透過率の評価2023

    • Author(s)
      萩庭 歩美, Chuaychob Surachada, 松本 倫実, 田中 美和, 藤本 和也, 中村 卓郎, 横川 隆司
    • Organizer
      化学とマイクロナノシステム学会 第47回研究会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 血管内皮細胞と周皮細胞を用いた転座型腎細胞がんの腫瘍血管新生評価系の構築2023

    • Author(s)
      北田 敦也, Hang Zhou, 藤本 和也, 田中 美和, 馬場 理也, 中村 卓郎, 横川 隆司
    • Organizer
      化学とマイクロナノシステム学会 第47回研究会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 血管と実組織の界面に着目した生体模倣システム(MPS)開発2023

    • Author(s)
      横川 隆司
    • Organizer
      第163回医工学フォーラム
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 血管網を有するMicrophysiological systems(MPS)を用いた腎近位尿細管および腫瘍微小環境の再構築2023

    • Author(s)
      横川 隆司
    • Organizer
      第46回日本分子生物学会年会ランチョンセミナー
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] Microphysiological systems (MPS) with perfusable vascular network for pharmacological and organogenesis applications2023

    • Author(s)
      R. Yokokawa
    • Organizer
      16th International Symposium on Nanomedicine (ISNM2023)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 腫瘍微小環境および器官形成への応用に向けた血管網を有するMicrophysiological systems (MPS)2023

    • Author(s)
      横川 隆司
    • Organizer
      CBI学会2023年大会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] Microphysiological Systems (MPS) With Perfusable Vascular Network for Tumor Microenvironment2023

    • Author(s)
      R. Yokokawa
    • Organizer
      The 41st Sapporo International Cancer Symposium
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] Designing the Interface of Epithelial and Endothelial Cells for Microphysiological Systems (MPS)2023

    • Author(s)
      R. Yokokawa
    • Organizer
      KSAC Biointerfaces Symposium
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] Microphysiological Systems (MPS) With Perfusable Vascular Network for Pharmacological and Organogenesis Applications2023

    • Author(s)
      R. Yokokawa
    • Organizer
      Organoids and Organ-on-a-Chip Asia 2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] ヒトiPS細胞由来細胞を用いた生体模倣システムの開発~血管と実組織の界面に着目して~2023

    • Author(s)
      横川 隆司
    • Organizer
      R031ハイブリッド量子ナノ技術委員会第12回研究会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] Microphysiological systems (MPS) with perfusable vascular network for pharmacological and organogenesis applications.2023

    • Author(s)
      R. Yokokawa
    • Organizer
      International Conference on Precision Nanomedicine in Theranostics & The 2023 Annual Meeting of Taiwan Nanomedicine Society
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] Microphysiological Systems (MPS) With Perfusable Vascular Network for Tumor Microenvironment and Organogenesis Applications2023

    • Author(s)
      R. Yokokawa
    • Organizer
      Research Center for Applied Sciences, Academia Sinica
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] Microphysiological systems (MPS) with perfusable vascular network for pharmacological and organogenesis applications2023

    • Author(s)
      横川 隆司
    • Organizer
      熊本大学リエゾンラボ研究会 HIGO最先端研究セミナー
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 腎近位尿細管 Microphysiological system(MPS)モデルの開発と評価2023

    • Author(s)
      横川 隆司
    • Organizer
      第66回日本腎臓学会学術総会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Remarks] 研究室ウェブサイト

    • URL

      https://www.mbsys.me.kyoto-u.ac.jp/

    • Related Report
      2023 Research-status Report

URL: 

Published: 2022-07-05   Modified: 2024-12-25  

Information User Guide FAQ News Terms of Use Attribution of KAKENHI

Powered by NII kakenhi