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微細加工マイクロ流体デバイスで角膜・オン・チップの開発に成功 ~人の「まばたき」も再現して薬剤効果を検証可能に~

 京都大学は2020年3月31日,同大学の物質-細胞統合システム拠点(iCeMS=アイセムス)亀井謙一郎 准教授,Rodi Abdalkader特定助教が,微細加工技術を駆使して,ヒトの角膜構造を細胞培養系で再現するデバイスの開発に成功したと発表した.本研究は,独立行政法人 日本学術振興会(JSPS)科学研究費補助金,及び国立研究開発法人 日本医療研究開発機構(AMED)の支援を受けて実施され,本成果は英国王立化学会の学術誌Lab on a Chipオンライン版に掲載された(注).

 透明な組織である目の角膜が病気になると,濁るなどの視覚障害が起き,時には失明などの可能性がある.そのような病気を治療するために,点眼液などの治療薬が開発されているが,ウサギなどの実験動物を使った評価では,ヒトへの効能や毒性が予想できなかった.これは実験動物との種間差だけでなく,目の瞬きの頻度にも違い(ウサギは1時間に10~12回,ヒトは1,000回)があるためであった.そこで,ヒトの眼を再現できる,新しい試験法の開発が課題になっている.

 この課題に対して本研究チームは,μmオーダーの微細加工技術を応用した「マイクロ流体デバイス」に着目した.マイクロ流体デバイスを用いた臓器モデルは「Organ on a Chip(生体組織チップ)」と呼ばれ,従来の細胞培養プレートでは再現できなかった組織機能を発現でき,既に肝臓や肺などの臓器モデルが開発されている.本研究では,マイクロ流体デバイスを用いてヒトの体の中における血管網や組織を再現し,更にこのデバイスにヒト由来の角膜上皮細胞を培養し,細胞培養液を行き来させることによって,瞬きも再現した「角膜・オン・チップ」を開発した.瞬き(まぶたが眼を閉じたり開いたり)すると,まぶたと眼の角膜上皮の間にある涙が上下に流れることを,細胞培養液の双方向の流れで再現する.

 本チップを構成する材料としては,生体適合性が高く,ガス・光透過性も高いシリコンゴムであるPolydimethylsiloxane(PDMS)を使用した.流路断面が矩形のマイクロ流体デバイス内の中央に多孔膜を設置し,その上で角膜上皮細胞を培養することで,角膜上皮細胞による膜形成と薬剤透過性の評価を可能にした.更に,瞬きにおけるずり応力を再現するために,双方向に駆動可能なシリンジポンプを使用して細胞培養液をマイクロ流路内で双方向に流れるようにした.

 開発した角膜・オン・チップでは,膜機能として必要なZO-1(Zonula Occudens 1,細胞接着)タンパク質が培養後7日目で発現していることを免疫細胞染色(緑)による光学顕微鏡観察で確認した.また,双方向のずり応力を印加すると,角膜成熟化マーカーであるCK-19(Cyto Keratin 19,組織形成中間体)タンパク質が発現することも免疫細胞染色(赤)による光学顕微鏡観察で確認できた.これらの結果は,本チップが角膜構造だけでなく,瞬きの動きも再現する生体外ヒトモデルとして機能する事を示している.

 本研究成果は,新しい角膜治療薬の開発に貢献できるだけでなく,動物愛護・倫理的な観点から実験動物を削減することにも繋がる,としている.

(注)Rodi Abdalkader and Ken-ichiro Kamei,"Multi-corneal barriers-on-a-chip to recapitulate eye blinking shear stress forces", Lab on a Chip, 2020, Advance Article, DOI: 10.1039/C9LC01256G; First published: 11 Mar 2020