複数臓器チップによる臓器間相互作用の観測と解明

2020 年度 実績報告書

• 研究領域: 仮想人体構築学チップ上に再現した臓器からみる全身代謝の分子ネットワーク
• 研究課題/領域番号: 20H05745
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 酒井 康行 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (00235128)
• 研究分担者: 杉浦 慎治 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 生命工学領域, 上級主任研究員 (10399496) ; 荒川 大 金沢大学, 薬学系, 准教授 (40709028)
• 研究期間 (年度): 2020-10-02 – 2023-03-31
• キーワード: マイクロフィジオロジカルシステム / 小腸 / 肝臓 / 腎臓 / 臓器間相互作用 / 三次元培養

研究実績の概要

代表者の酒井は，分担者の杉浦・荒川および協力研究者の木村（東海大）と共同で，これまで開発したMPSデバイスを用い、種々の薬物を用いた薬物の消化管膜透過性および肝代謝について評価した。この実験を基に荒川はさらに解析を進め，腸肝MPSでこれまでに観察された薬物グルクロン酸抱合活性の変動要因として、小胞体膜に局在するトランスポーターに着目し、検討を行った。その結果、有機アニオントランスポーターが薬物のグルクロン酸抱合活性を調節することを明らかとした。一方，分担者の杉浦は，これまでに開発してきた複数臓器デバイス、圧力駆動型OrganS-on-a-chipを用いて、より多くの薬剤で臓器間相互作用を評価するための樹脂製の腸肝連結型OrganS-on-a-chipを設計し、試作した。また、腸肝連結型OrganS-on-a-chipの臓器スケーリング最適化に向け、肝臓の三次元灌流デバイスを開発し、分担者の荒川らと共に，HepG2細胞の灌流培養による肝機能を評価した。さらに酒井らは，協力研究者の木村の開発したオンチップ送液型のMPSデバイスを用い，腸管と肝細胞の共培養を実施，灌流に加えて酸素透過膜を用いるオンサイト酸素供給にて，両細胞の相互作用により薬物代謝亢進を観測した。さらに酒井らは，協力研究者の木村の開発したオンチップ送液型のMPSデバイスを用い，腸管と肝細胞の共培養を実施，灌流に加えて酸素透過膜を用いるオンサイト酸素供給にて，両細胞の相互作用により薬物代謝亢進を観測した。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

コロナの影響により，デバイス部品および細胞培養用の培地や機能評価のための試薬の入手が著しく遅れ，当初計画した主要実験を後ろ倒しにせざるを得なかった．そこで，以上のような制限を受けない実施可能な範囲で，これらの主要実験に役立つような予備検討や主要実験で狙った結論に別アプローチで迫るような代替実験を実施した．

今後の研究の推進方策

2021年度にも，一部ではあるが必須である輸入試薬や器具の入手困難な状況が続いていたため，2000年度の遅れを完全には取り戻せていなかったため，一部の予算を2022年度に繰り越した．この間，それらの試薬の入手は徐々に解消してきており，また国内で入手可能な代替品の使用可能性についての評価も終え，概ね使用可能との結果を得ている．最終年度のおいては，担当の学生数を増やすなどで，遅れを取り戻し，当初計画である臓器間相互作用のメカニズム解明を概要でも達成したい．

研究成果

• [国際共同研究] CNRS/コンピエーニュ工科大学(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: CNRS/コンピエーニュ工科大学
• [雑誌論文] Coculture with hiPS-derived intestinal cells enhanced human hepatocyte functions in a pneumatic-pressure-driven two-organ microphysiological system (2021)
  • 著者名/発表者名: M Shinohara, H Arakawa, Y Oda, N Shiraki, S Sugiura, T Nishiuchi, T Satoh, K Iino, S Leo, Y Kato, K Araya, T Kawanishi, T Nakatsuji, M Mitsuta, K Inamura, T Goto, K Shinha, W Nihei, K Komori, M Nishikawa, S Kume, Y Kato, T Kanamori, Y Sakai, H Kimura
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 11 ページ: 5437
  • DOI: 10.1038/s41598-021-84861-y
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] CD38 activation by monosodium urate crystals contributes to inflammatory responses in human and murine macrophages (2021)
  • 著者名/発表者名: Wen S, Arakawa H, Tamai I
  • 雑誌名: Biochemical and Biophysical Research Communications 巻: 581 ページ: 6-11
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2021.10.010
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multi-omics analysis of hiPSCs-derived HLCs matured on-chip revealed patterns typical of liver regeneration (2021)
  • 著者名/発表者名: Danoy M, Tauran Y, Poulain S, Jellali R, Bruce J, Leduc M, Gall M, Koui Y, Arakawa H, Gilard F, Kato Y, Kido T, Miyajima A, Sakai Y, Leclerc E
  • 雑誌名: Biotechnology & Bioengineering 巻: 118 ページ: 3716-3732
  • DOI: 10.1002/bit.27667
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 概論＝真に生理学的なOrgan on-a-chip実現のために (2021)
  • 著者名/発表者名: 酒井康行
  • 雑誌名: 実験医学 巻: 39 ページ: 2563-2566
• [雑誌論文] Stepwise construction of dynamic microscale concentration gradients around hydrogel-encapsulated cells in a microfluidic perfusion culture device (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Yamahira, T. Satoh, F. Yanagawa, M. Tamura, T. Takagi, E. Nakatani, Y. Kusama, K. Sumaru, S. Sugiura and T. Kanamori
  • 雑誌名: Royal Society Open Science 巻: 7 ページ: 200027
  • DOI: 10.1098/rsos.200027
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Fabrication of hollow structures in photodegradable hydrogels using a multi-photon excitation process for blood vessel tissue engineering (2020)
  • 著者名/発表者名: U. Watanabe, S. Sugiura, M. Kakehata, F. Yanagawa, T. Takagi, K. Sumaru, T. Satoh, M. Tamura, Y. Hosokawa and K. Torizuka
  • 雑誌名: Micromachines 巻: 11 ページ: 679
  • DOI: 10.3390/mi11070679
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] マイクロフィジオロジカルシステム(MPS)を用いた人体応答評価のために (2021)
  • 著者名/発表者名: 酒井康行
  • 学会等名: 第34回日本動物細胞工学会2021年度大会
  • 招待講演
• [学会発表] 腸肝連結型MPSを用いた薬物代謝と臓器間相互作用の解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 荒川大、河西巧、加藤将夫
  • 学会等名: CBI学会2020プログラム
  • 招待講演
• [学会発表] 肝小腸連結型MPSで見えてきた薬物代謝における臓器間相互作用 (2020)
  • 著者名/発表者名: 荒川大、河西巧、加藤将夫
  • 学会等名: 第47回日本毒性学会学術年会
• [学会発表] 腸肝連結型microphysiological systemを用いた薬物動態の臓器連関研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 荒川大、河西巧、加藤将夫
  • 学会等名: 第20回日本再生医療学会総会
  • 招待講演
• [備考] 学術変革領域研究(B)「仮想人体構築学」ホームページ
  • URL: https://www.kasojintai.com/