Organ-on-a-Chipプラットフォームで
3Dハイコンテントイメージャーと解析を実現

疾患モデリングや薬物スクリーニングのために、ヒトの生物学的環境を模倣する能力を持ち、それをマイクロスケールのシステムで行うことを想像してみてほしい。Organ-on-a-chipモデルの開発により、これはもはやあり得ない話ではなくなっている。マイクロ流体工学とセルや成長因子を統合することで、科学者たちは、実際の組織の生理的・力学的挙動をエミュレートした生物製剤モデルを作成できるようになった。

Organ-on-a-chipモデルの導入に成功すれば、創薬にかかる時間を大幅に短縮することができ、薬物動態、有効性、細胞毒性、個別化医療研究などをより迅速かつ正確に評価することが可能になる。

そう遠くない将来、生体内条件をより正確に模倣することで、医薬品開発や毒性評価試験における動物モデルへの依存度は低下するだろう。

このようなマイクロスケールの臓器システムは、ヒトの生物製剤の複雑さをよりよく表現できるように設計されている。しかし、その複雑さゆえに、定量的で再現性のある結果を得るためのスケールでのイメージングに関する課題がある。

モレキュラー・デバイスとOrgan-on-a-chipモデルの世界的リーダーであるMIMETAS社との画期的なコラボレーションは、このような3Dハイコンテントイメージャーの課題を克服する方法を実証するのに役立ちます。

Organ-on-a-chipとは？

Organ-on-chipとは、メモリースティックほどの大きさで、人間の臓器の複雑な構造やプロセスを再現できるマイクロ流体ベースの細胞培養装置である。柔軟で半透明のバイオポリマーで構成され、生きたヒト細胞を含む極小の中空チャンネルを備えている。

異なるタイプの細胞を特異的に配置し、区画化することで、臓器内の他の組織細胞間の相互作用をシミュレートし、制御することができる。内皮細胞と上皮細胞の相互作用のような細胞間クロストークを可能にするため、通常、多孔性膜がマイクロチャンネルを隔てている。

オルガノプレート 組織モデリングに対するMIMETASの最先端ソリューション

2014年にオランダのライデンで設立されたMIMETAS社は、ヒト疾患モデルの研究を可能にするOrgan-on-a-chipモデルのパイオニアである。同社の重要なイノベーションであるOrganoPlate®は、マイクロ流路をベースとしたプラットフォームで、1枚のプレート上に最大96の組織モデルをサポートする。

OrganoPlateの多用途性と簡便性は、PhaseGuide™技術によるものである。従来のOrgan-on-a-chipとは異なり、特許取得済みのリキッドハンドリング技術により、3Dでの細胞外マトリックスの無膜形成が可能になる。これにより、細胞の自由な移動と相互作用、タンパク質や共培養化合物の導入が可能になる。

OrganoPlateのマイクロフルイディクス・ネットワークは、外部ポンプやチューブを使用することなく、連続的な培地フローを促進する。栄養素、酸素、成長因子、および共培養条件の移動は、重力駆動技術によって媒介される。その結果、血流を模倣した連続的な灌流が実現する。これらの要因により、OrganoPlateは透過性、遊走、アウトグロース、浸潤、血管新生、複雑な細胞間相互作用を研究するための優れた材料となる。

Organ-on-a-chip用3Dハイコンテントイメージャーソリューション

 Organ-on-a-chipモデルは、免疫染色から生存率、qPCRまで様々なアッセイに対応しているため、結果のモニタリングや解析は、2D in vitroモデルよりも複雑な場合が多い。

朗報は、OrganoPlateが顕微鏡グレードのガラス底を封じ込め、ハイスループットとハイコンテントイメージャーに適した唯一の臓器on-a-chipモデルとなったことである。

MIMETASはMolecular Devices社と協力し、3Dハイコンテントイメージングの技術と設備を強化してきた。このコラボレーションの最近の成果として、Molecular Devices社の新しいImageXpress®マイクロコンフォーカルハイコンテントイメージングシステムが導入されました。さらに一歩進んで、我々はMIMETASの顧客に個別トレーニングを提供している。研究者は、OrganoPlate上でOrgan-on-a-chip実験をデザインして実施し、ImageXpress Micro Confocalを使って3D細胞イメージングを行う方法を学ぶことができます。

では、これが特異性組織モデルにどのように適用されるかを見てみよう。

血管新生

血管新生には、損傷した血管の再生だけでなく、新しい血管の形成も含まれる。これは組織の成長、発達、修復に不可欠な部分であるだけでなく、腫瘍の浸潤や転移にも共通する現象である。従って、血管新生メカニズムのイメージングに成功すれば、抗血管新生癌の創薬への扉を開くことができる。しかしながら、現在のin vitroアッセイでは、内皮の萌芽と血管の成長を示すことができず、限られた知見しか得られない。

OrganoPlateプラットフォームは、血管新生の芽の数や大きさ、増殖や発現の血管新生マーカーを定量化し可視化するための、より情報に基づいたモデルを研究者に提供する。

MIMETASがMolecular Devices社とともに実施した最初の血管新生研究では、OrganoPlate 3-laneが血管新生モデルの開発に用いられた。OrganoPlateの40個のチップはそれぞれ3つのチャンネルで構成され、上から順に内皮細胞、コラーゲンI細胞外マトリックス（ECM）ゲル、血管新生因子で構成されていた。その後、アプリケーションノート「Organ-on-a-chipモデルにおける血管新生の3D画像解析と特性評価」に描かれているように、血管新生の芽の形成を4日間にわたってモニターした。

内皮細胞の核、細胞接着分子VE-カドヘリン、アクチンフィラメントが異なって染色された。ImageXpress Microコンフォーカルハイコンテントイメージングシステムのコンフォーカルモードを用いて、培養1日後と4日後の新芽を可視化することができた。これらの画像のさらなる解析は、MetaXpress®ハイコンテント画像取得・解析ソフトウェアのカスタムモジュールエディター（CME）を用いて行った。この解析により、新芽の総数、新芽あたりの核の数、体積、強度、新芽間の距離などの様々な要因が明らかになり、血管の時間依存的成長に関する貴重な洞察が得られた。

神経突起伸長

神経変性疾患の治療薬開発には、ニューロン間の結合を厳密に理解する必要がある。このような結合は、軸索や樹状突起と呼ばれる細胞上に伸長した神経構造によって媒介され、神経突起として定義される。したがって、神経突起伸長は、神経結合あるいはその崩壊の重要な指標となる。

神経突起伸長アッセイは、神経細胞の変性に関与する細胞内外のシグナルを可視化し、定量的に解析するのに役立つが、そのためには生理学的に適切な3次元組織モデルが必要である。

神経突起伸長の阻害を調べるため、MIMETASの研究者たちは、マイクロ流路プラットフォームを用いて、持続可能な神経細胞培養を開発した。マイクロ流路プラットフォームにおける3D神経細胞ネットワークの形態学的特性評価のためのハイコンテントアッセイに示されているように、ヒトiPSC由来ニューロンを神経突起伸長を阻害する化合物で処理し、3つの異なる色素で染色した。

ImageXpress®マイクロコンフォーカルハイコンテントイメージャーシステムは、神経細胞の形態学的変化だけでなく、神経生存率の評価にも役立った。MetaXpress®ソフトウェアによる3D解析では、神経突起の数、神経細胞の体積、核の数、神経突起の分岐数などの定量的データが得られた。

この結果は、MIMETASのOrganoPlateとMolecular Devicesのハイコンテントイメージングシステムの組み合わせが、神経薬剤の有効性と毒性の評価に使用できることを証明した。

3Dヒト組織モデルとイメージングを始めよう

Organ-on-a-chipシステムの効率的な実装には、動作メカニズムを十分に理解する必要があります。幸運なことに、必要な情報はワンクリックで入手できる。

Getting Started with 3D Human Tissue and Imagingでは、Chiwan Chiang（MIMETAS、フィールドアプリケーションサイエンティスト）とOksana Sirenko, PhD（Molecular Devices、Sr.アプリケーションサイエンティスト）が、これらのモデルから強力な新しい知見を迅速、簡単、安価に得る方法を紹介します。

OrganoPlateにおける3D器官組織モデルのセットアップに入り、Organ-on-a-chip研究においてハイコンテントイメージャーが果たす役割を発見する。発表者は、ヒト組織モデリングの利点について、2つのケーススタディを交えて説明する。ケーススタディ1、gut-on-a-chipでは、caco-2腸モデルを用いてバリアー完全性を評価する。つ目のケーススタディは血管新生で、HUVEC微小血管における血管新生萌芽に関するものである。

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モレキュラー・デバイスは、お客様の特異性を満たす3D組織モデリングおよびイメージングに最適なワークフローを見つけるお手伝いをいたします。オルガノイド・イノベーションセンターのデモ（ライブまたはバーチャル）をセットアップして、最先端のオートメーション・ラボソリューションへの迅速なアクセス、エンジニアリング・ソリューション・チームによるカスタムソリューションのガイダンス、プロジェクト全体にわたる継続的なカスタマーサポートをご利用ください。

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