モジュール式自動マイクロ流体細胞培養プラットフォームは大脳皮質オルガノイドの解糖ストレスを軽減します

Scientific Reports volume 12、記事番号: 20173 (2022) この記事を引用

4434 アクセス

5 引用

124 オルトメトリック

メトリクスの詳細

Organ-on-a-chip システムは、マイクロ流体工学、細胞生物学、組織工学を組み合わせて、in vivo 対応物の生物学と生理学を再現する 3D 臓器固有の in vitro モデルを培養します。 ここでは、ユーザー定義の培地流量で隔離された微小環境における個々のオルガノイドの培養を自動化する多重プラットフォームを開発しました。 プログラム可能なワークフローにより、複数の試薬リザーバーを使用して直接分化、時間的変数の研究、培養の長期増殖に適用できます。 ここでは、単一の PDMS 基板の上面と下面にフィーチャーを実現する、ポリジメチルシロキサン (PDMS) チップ製造における新しい技術について説明します。 自動大脳皮質オルガノイド培養物の RNA シーケンス (RNA-seq) 解析では、従来の in vitro 細胞培養と比較して解糖ストレスおよび小胞体ストレスの軽減に利点があることが示されています。

細胞培養は、ヒト子宮頸がん生検から HeLa 細胞が単離されて以来、70 年以上にわたってヒトの病気と発症を研究するための主要なモデルとなってきました 1,2。 もともとウイルスを研究する手段として使用されていたヒトの細胞培養プロトコルは、大量の物質を生産するために迅速かつ容易に増殖できるように最適化されました。 組織培養プロトコルは進歩しており、特に多くの培地成分の削減が進んでいますが、これらのオリジナルのレシピの多くはそのまま残っています。 生理的な栄養素の濃度、供給、除去を模倣するための組織培養プロトコルには、まだ改善の余地が多くあります。 自動マイクロ流体工学により、手動では不可能な速度と精度で供給することで、従来のプロトコルを超えることができます。

幹細胞および発生生物学の最近の進歩により、ヒトの一次組織の側面に似た、より正確なモデルが生成されています 3,4。 ヒト胚性幹 (hES) 細胞と人工多能性幹 (iPS) 細胞は、総称して多能性幹細胞 (PSC) と呼ばれ、体のほとんどの種類の細胞に分化する可能性があり、これを利用して 3D 培養モデルを生成するプロトコル脳、腸、肝臓、乳房などのヒト組織用5,6。 オルガノイドと呼ばれるこれらの自己組織化する器官特異的な細胞培養物は、発生研究、病因学、医学における in vitro モデルとして広く利用されています 7、8、9。 オルガノイドは、2D 細胞培養よりも、対応する一次組織の生理機能の重要な機能的特徴をより正確に模倣します6。 オルガノイドは、in vitro モデルとしての使用を超えて、インプラント用組織としての再生医療やヘルスケアへの応用も検討されています5。 この技術が新たな境地を開くにつれて、オルガノイド培養を増殖、制御、分析するためのより良い方法の必要性が高まっています。 インビトロ培養物と初代組織との間のギャップを減らす必要がある。 ここで示した進歩のような取り組みは、高精度マイクロ流体工学、ロボット自動化、非接触センシングを活用して、組織忠実度に最適化された堅牢で再現性のある細胞培養を可能にします。

PSC 由来オルガノイドは自己集合して多くの組織特異的な細胞型を生成する能力があるため、複雑な組織や系のモデル化に特に役立ちます。 脳には人体の中で最も複雑な部分が含まれており、研究者はオルガノイド技術を使用してさまざまな脳領域の高品質モデルを生成できます。 大脳オルガノイドは、大脳皮質の生理機能をモデル化した脳オルガノイドの一種であり、多くの皮質固有の細胞タイプとサブ領域が含まれています10。 これらのオルガノイドは、出生前の脳の発達 11、12、13、脳の病理 14、および治療試験 15 の研究に広く使用されています。 大脳オルガノイドは、長期培養中に直径数ミリメートルまで成長し、培養状態で無期限に維持できます16。