マイクロ流体技術を用いた次世代3次元組織工学の創成

• 研究課題/領域番号: 17H02083
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 生体医工学・生体材料学
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 亀井 謙一郎 京都大学, 高等研究院, 准教授 (00588262)
• 研究分担者: 田畑 修 京都大学, 工学研究科, 教授 (20288624) ; 平井 義和 京都大学, 工学研究科, 助教 (40452271) ; ABDALKADER Rodi 京都大学, 高等研究院, 特定助教 (20839964)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 16,250千円 (直接経費: 12,500千円、間接経費: 3,750千円); 2019年度: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円); 2018年度: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円); 2017年度: 6,630千円 (直接経費: 5,100千円、間接経費: 1,530千円)
• キーワード: 多能性幹細胞 / マイクロ流体デバイス / オルガノイド / 肝臓 / 分化 / ヒト多能性幹細胞 / 成熟化 / 組織工学 / 幹細胞 / 血管網

研究成果の概要

本研究の目的は、機能的な「立体組織構造体(オルガノイド)」を高効率に再現性良く作製できる方法を開発し、かつ再生医療や創薬に有用な組織形成のメカニズムを解明することである。本研究では、従来のオルガノイド作製法では機能発現が困難であり再現性も低かった肝臓に着目し、本研究で提唱する新規作製法で、これらの問題点を解決し、肝臓の発生機構を解明する。 本研究で得られた成果として、
1. 物理的刺激を可能にするマイクロ流体デバイスを開発した。その結果、幹細胞由来の肝臓細胞に物理的刺激（熱・機械的刺激）を印加し、機能性の向上が確認できた。
2. iPS細胞から肝臓細胞への分化誘導・オルガノイド形成法を確立した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

近年、組織形成法は高機能な組織を得る鍵として着目されている。しかし、従来の形成法は細胞が持つ自己組織化能力のみに頼るため低効率や低再現性などが問題となり、実用化には達していない。そこで、新しいオルガノイド作製作製法が強く望まれている。
本研究では従来の細胞生物学手法だけでなく、マイクロ工学を融合した既成観念にはない斬新なアプローチを取り入れ、高機能な組織形成の人為的な制御を可能にする。本研究を通して得られた知見は、ヒトの初期発生から組織形成の過程を生体外にて再現、研究することを可能にする。更に、発生・組織形成過程における異常が起因する病態などのメカニズム解明にも本研究は非常に重要な役割を果たす。

研究成果

• [国際共同研究] San Diego Zoo/University of California Los Angeles(米国)
• [国際共同研究] Karlsruhe Institute of Technology(ドイツ)
• [国際共同研究] Karlsruhe Institute Technology(ドイツ)
• [国際共同研究] University of California Los Angeles/San Diego Zoo(米国)
• [雑誌論文] 39°C-in vitro culture facilitates hepatic functions of hepatocyte-like cells derived from human embryonic stem cells (2020)
  • 著者名/発表者名: Imamura Satoshi、Yoshimoto Koki、Terada Shiho、Kamei Ken-ichiro
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: 0 ページ: 983130-983130
  • DOI: 10.1101/2020.03.10.983130
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Multi-corneal barrier-on-a-chip to recapitulate eye blinking shear stress forces (2020)
  • 著者名/発表者名: Abdalkader Rodi、Kamei Ken-ichiro
  • 雑誌名: Lab on a Chip 巻: 20 号: 8 ページ: 1410-1417
  • DOI: 10.1039/c9lc01256g
  • 査読あり
• [雑誌論文] Randomness and optimality in enhanced DNA ligation with crowding effects (2020)
  • 著者名/発表者名: Takaharu Y. Shiraki, Ken-ichiro Kamei, Yusuke T. Maeda
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 2 号: 1 ページ: 013360-013360
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.2.013360
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Novel microfluidic device integrated with a fluidic‐capacitor to mimic heart beating for generation of functional liver organoids (2019)
  • 著者名/発表者名: Wu Jiaxu、Hirai Yoshikazu、Kamei Ken‐Ichiro、Tsuchiya Toshiyuki、Tabata Osamu
  • 雑誌名: Electronics and Communications in Japan 巻: 102 号: 10 ページ: 41-49
  • DOI: 10.1002/ecj.12210
  • NAID: 130007671301
  • 査読あり
• [雑誌論文] 生体機能の再現を目指したbody-on-a-chip (2019)
  • 著者名/発表者名: 吉本 昂希、亀井 謙一郎
  • 雑誌名: ファルマシア 巻: 55 号: 5 ページ: 427-431
  • DOI: 10.14894/faruawpsj.55.5_427
  • NAID: 130007641257
  • ISSN: 0014-8601, 2189-7026
• [雑誌論文] Three-dimensional cultured liver-on-a-Chip with mature hepatocyte-like cells derived from human pluripotent stem cells (2019)
  • 著者名/発表者名: Ken-ichiro Kamei, Momoko Yoshioka, Shiho Terada, Yumie Tokunaga, Yong Chen
  • 雑誌名: Biomedical Microdevices 巻: 21 ページ: 73-73
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Direct synthesis of self-organized blastocyst-like cysts derived from human pluripotent stem cells (2019)
  • 著者名/発表者名: Wen Xiaopeng、Terada Shiho、Yoshimoto Koki、Kamei Ken-ichiro
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: 0 ページ: 831487-831487
  • DOI: 10.1101/831487
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Fabrication of a Multiplexed Artificial Cellular MicroEnvironment Array (2018)
  • 著者名/発表者名: Mashimo, Y., Yoshioka, M., Tokunaga, Y., Fockenberg, C., Terada, S., Koyama, Y., Shibata-Seki, T., Yoshimoto, K., Sakai, R., Hakariya, H., Liu, L., Akaike, T., Kobatake, E., How, SE., Uesugi, M., Chen, Y., Kamei, KI.
  • 雑誌名: Journal of Visualized Experiments 巻: - 号: 139
  • DOI: 10.3791/57377
  • 査読あり
• [雑誌論文] Genetic Signatures of Lipid Metabolism Evolution in Cetacea (2018)
  • 著者名/発表者名: Endo Yoshinori、Kamei Ken-ichiro、Inoue-Murayama Miho
  • 雑誌名: BioRxiv 巻: なし ページ: 250597-250597
  • DOI: 10.1101/250597
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Robust direct differentiation and maturation of human pluripotent stem cells to hepatocyte-like cells (2017)
  • 著者名/発表者名: Kamei Ken-ichiro、Yoshioka Momoko、Terada Shiho、Tokunaga Yumie、Chen Yong
  • 雑誌名: BioRxiv 巻: なし ページ: 232215-232215
  • DOI: 10.1101/232215
  • オープンアクセス
• [学会発表] Transplantable nano cellular matrices for scaled-up culture of human ES/iPS cells (2019)
  • 著者名/発表者名: Ken-ichiro Kamei
  • 学会等名: ISSCR2019
  • 国際学会
• [学会発表] マイクロ・ナノ工学による 生体システム再構築への挑戦 (2019)
  • 著者名/発表者名: 亀井謙一郎
  • 学会等名: 日本組織培養学会 第92回大会 日本動物実験代替法学会合同シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Reverse bioengineering of living systems for drug discovery (2019)
  • 著者名/発表者名: Ken-ichiro Kamei
  • 学会等名: Microfluidics & Organ-on-a-Chip Asia 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 有限要素解析を用いた経上皮電気抵抗測定マイクロ流体デバイス内電極形状の設計 (2019)
  • 著者名/発表者名: 宮崎貴史, 平井義和, 亀井謙一郎, 土屋智由, 田畑修
  • 学会等名: 平成31年電気学会全国大会, 電気学会
• [学会発表] Micro Physiological Systemsへの集積のためのイオン液体型圧力センサ (2019)
  • 著者名/発表者名: 辻勇亮, 平井義和, 亀井謙一郎, 土屋智由, 田畑修
  • 学会等名: 細胞アッセイ技術の現状と将来, 細胞アッセイ研究会
• [学会発表] 経上皮電気抵抗測定マイクロ流体デバイスにおける電極形状の検討 (2019)
  • 著者名/発表者名: 宮崎貴史, 平井義和, 亀井謙一郎, 土屋智由, 田畑修
  • 学会等名: 細胞アッセイ技術の現状と将来, 細胞アッセイ研究会
• [学会発表] Nano/microengineered Environmental Cues for Precise Controls of Stem Cell Functions (2018)
  • 著者名/発表者名: Ken-ichiro Kamei
  • 学会等名: The 10th International Symposium on Microchemistry and Microsystems (ISMM 2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ボディ・オン・チップ： マイクロ・ナノ工学による「ヒト」モデルの開発とその展望 (2018)
  • 著者名/発表者名: 亀井 謙一郎
  • 学会等名: 第62回システム制御情報学会研究発表講演会
  • 招待講演
• [学会発表] ボディ・オン・チップ： マイクロ・ナノ工学による「ヒト」モデルの開発とその展望 (2018)
  • 著者名/発表者名: 亀井 謙一郎
  • 学会等名: 第90回 大阪大学工業会機械工学系技術交流会
  • 招待講演
• [学会発表] Body on a Chip to recapitulate in vivo physiological conditions in a micro chip (2018)
  • 著者名/発表者名: Ken-ichiro Kamei
  • 学会等名: 15th Meeting of Asian-Pacific Society for Neurochemistry (APSN 2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Solving the environmental issues for cells: Towards precise regulation of stem cell functions (2018)
  • 著者名/発表者名: Ken-ichiro Kamei, Yoshie Koyama,Christopher Fockenberg, Momoko Yoshioka, Shiho Terada, Takafumi Mano and Satoshi Imamura
  • 学会等名: 5th TERMIS World Congress - 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Recapitulation of the cellular microenvironments: Towards re-creation of living systems into a chip (2018)
  • 著者名/発表者名: Ken-ichiro Kamei
  • 学会等名: 第1751回 雑誌会 / Zasshikai No. 1751 since 1890 東京大学理学部化学教室
  • 招待講演
• [学会発表] マイクロ・ナノ工学による 生体外「ヒト」モデル開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 亀井 謙一郎
  • 学会等名: 日本環境変異原学会第47回大会
  • 招待講演
• [学会発表] FLUIDIC-CAPACITOR INTEGRATED MICROFLUIDIC PLATFORM TO MIMIC HEART BEATING FOR GENERATION OF FUNCTIONAL LIVER ORGANOIDS (2018)
  • 著者名/発表者名: Jiaxu Wu, Yoshikazu Hirai, Ken-ichiro Kamei, Toshiyuki Tsuchiya, and Osamu Tabata
  • 学会等名: MicroTAS 2018
  • 国際学会
• [学会発表] 心臓鼓動を模倣する流体キャパシタを集積した肝臓オルガノイド作製用マイクロ流体デバイス (2018)
  • 著者名/発表者名: 呉家旭, 平井義和, 亀井謙一郎, 土屋智由, 田畑修
  • 学会等名: 第35回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム, 電気学会
• [学会発表] 3次元リソグラフィを応用したイオン液体型高感度圧力センサの作製と特性評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 辻勇亮, 平井義和, 亀井謙一郎, 土屋智由, 田畑修
  • 学会等名: 第9回マイクロ・ナノ工学シンポジウム, 日本機械学会
• [学会発表] 経上皮電気抵抗測定に用いる銀/塩化銀平面電極搭載マイクロ流体デバイスの作製 (2018)
  • 著者名/発表者名: 宮崎貴史, 平井義和, 亀井謙一郎, 土屋智由, 田畑修
  • 学会等名: 平成30年度電気学会センサ・マイクロマシン部門総合研究会, 電気学会
• [学会発表] Body-on-a-Chipへの搭載を目的としたイオン液体型圧力センサ (2018)
  • 著者名/発表者名: 辻勇亮, 中野優, 平井義和, 亀井謙一郎, 土屋智由, 田畑修
  • 学会等名: 細胞アッセイ技術の現状と将来, 細胞アッセイ研究会
• [学会発表] 抗がん剤の副作用を再現する生体外ヒトモデルBody on a Chip (2017)
  • 著者名/発表者名: 亀井謙一郎，平井義和，加藤義基，土屋智由，田畑修
  • 学会等名: 日本機械学会 第29回バイオエンジニアリング講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Integrated Heart/Cancer on a Chip: Towards recapitulation of side effects (2017)
  • 著者名/発表者名: Ken-ichiro Kamei, Yoshiki Kato, Yoshikazu Hirai, Toshiyuki Tsuchiya, Yong Chen and Osamu Tabata
  • 学会等名: IEEE NEMS
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Solving the environmental issues for cells: Towards precise regulation of stem cell functions (2017)
  • 著者名/発表者名: Ken-ichiro Kamei
  • 学会等名: ESACT2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 再生医療へ向けたナノ繊維の新展開 (2017)
  • 著者名/発表者名: 亀井謙一郎
  • 学会等名: 日本繊維機械学会
  • 招待講演
• [学会発表] マイクロ・ナノ微細加工技術による3次元組織工学 (2017)
  • 著者名/発表者名: 亀井謙一郎
  • 学会等名: 第90回日本組織培養学会
  • 招待講演
• [学会発表] Solving the environmental issues for cells: Towards precise regulation of stem cell functions (2017)
  • 著者名/発表者名: Ken-ichiro Kamei, Yoshiki Kato, Yoshikazu Hirai, Toshiyuki Tsuchiya, Yong Chen and Osamu Tabata
  • 学会等名: IUMRS-ICAM
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Body on a Chip: 生体外ヒトモデルの開発とその応用 (2017)
  • 著者名/発表者名: 亀井謙一郎
  • 学会等名: 応用物理学会秋季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] マイクロ・ナノ工学による生体外「ヒト」モデル開発とGood Cell Culture Practiceへの貢献 (2017)
  • 著者名/発表者名: 亀井謙一郎
  • 学会等名: 日本動物実験代替法学会第30回大会
  • 招待講演
• [図書] 臓器チップの技術と開発動向 (2018)
  • 著者名/発表者名: 亀井謙一郎（監修 酒井康行,金森敏幸）
  • 総ページ数: 293
  • 出版者: シーエムシー出版
• [備考] The Kamei Group
  • URL: https://ken1kameigroup.org/
• [備考] 角膜・オン・チップの開発に成功 「まばたき」も再現！
  • URL: http://www.icems.kyoto-u.ac.jp/ja/news/5302
• [備考] Eye blinking on-a-chip
  • URL: http://www.icems.kyoto-u.ac.jp/en/news/5307
• [備考] iCeMSリーダーインタビュー | 亀井謙一郎准教授
  • URL: https://youtu.be/9Iyv7R-BV8k
• [産業財産権] マイクロ流体デバイス、細胞培養システムおよび細胞培養方法 (2020)
  • 発明者名: 亀井 謙一郎
  • 権利者名: 京都大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2020-190869
  • 出願年月日: 2020
• [産業財産権] 多能性幹細胞からの胚盤胞様構造体の作製法 (2019)
  • 発明者名: 亀井謙一郎、文小鵬、寺田志穂
  • 権利者名: 亀井謙一郎、文小鵬、寺田志穂
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2019-194606
  • 出願年月日: 2019
• [産業財産権] マイクロ流体デバイス (2019)
  • 発明者名: 亀井 謙一郎、平井 義和、田畑 修、宮崎 貴史
  • 権利者名: 亀井 謙一郎、平井 義和、田畑 修、宮崎 貴史
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2019
• [産業財産権] 細胞培養チップ (2018)
  • 発明者名: 亀井 謙一郎、山中 誠
  • 権利者名: 亀井 謙一郎、山中 誠
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2018
• [産業財産権] 細胞培養チップ及びその製造方法 (2018)
  • 発明者名: 亀井 謙一郎、山中 誠
  • 権利者名: 亀井 謙一郎、山中 誠
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2018
• [産業財産権] 細胞培養容器 (2018)
  • 発明者名: 亀井 謙一郎、平井 義和、田畑 修、福江 久美子
  • 権利者名: 亀井 謙一郎、平井 義和、田畑 修、福江 久美子
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2018