2024年3月12日
再生・細胞医療・遺伝子治療～ＡＭＥＤ～ 新技術説明会

生体模倣システムのための高汎用型流体プラットフォーム
木村 啓志
東海大学 マイクロ･ナノ研究開発センター 教授
東海大学 工学部 生物工学科 教授（兼任）東海大学 工学部 機械工学科 教授（兼任）1

Bio-Microfluidic Systems Lab.

従来技術とその問題点
創薬分野での応用が進んでいる生体模倣システム（Microphysiological system: MPS）として既に実用化されているものには、培養液を灌流しながら細胞培養するための送液方法として、空気圧駆動やペリスタルティックポンプ駆動などがあるが、⚫

チューブ配管操作の煩雑性–使いにくく、スループットが低い⚫

⚫

システムが高価（数百万～数千万円）かつ大型細胞観察が困難等の問題があり、広く利用されるまでには至っていない。
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Bio-Microfluidic Systems Lab.

創薬における課題
非臨床試験
薬物動態・薬理薬効・安全性の評価

動物実験(= in vivo).y•

臓器間相互作用評価•••種差問題倫理問題
低スループット・コスト大細胞アッセイ(= in vitro)

Image source: http://wwwourgenome.org

3••

高スループット・コスト小倫理問題回避••臓器間相互作用の欠落
低機能活性

Bio-Microfluidic Systems Lab.

生体模倣システム：Microphysiological Systems (MPS)

Image source: Huh D., Science 328, 2010

Image source: https://www.darpa.mil/

Microphysiological systems (= in vitro)

マイクロ・バイオエンジニアリングを活用して生理的環境を再現• 機械的伸縮動作• せん断応力負荷• 微小足場構造の再現• 複数臓器集積化
4

•
•
•
•

倫理問題の回避
臓器間相互作用評価の応用
高スループット・コスト小細胞活性の維持・向上
Bio-Microfluidic Systems Lab.

Microphysiological System (MPS)
Stroke model>= Organ-on-a-chip

BMF, 2019;
J. Neurosci. Res., 2021

BMF, 2011
Lab Chip, 2008; IEEJ, 2009

D. Huh, et. al., Science 328, 2010https://www.darpa.mil/

MPS (= in vitro)
Rep, 2016•Sci
Microfluidic device based system
Sci Rep, 20172018
•BBRC,
MimickingPhysiological environments
Reprod Med Biol, 2019
Sci Rep,• 2021
Mechanical strain
Sci Rep, 2023
• Fluidic shear stressIEEE Nanobio, 2009,
IEEJ, •
2016,Microstrucutre• Organ-organ interactions

5••••

No ethical issues
BMF, 2018; BMF, 2020;
Organ-organ
BBRC,interactions
2021, Lab Chip, 2023, 2024
Low functionality of cells
High-throughput/Low cost
Bio-Microfluidic Systems Lab.

JBB, 2011, 2014; JALA, 2015; BMF, 2020; Sci Rep, 2021; Micromachines, 2021

Image source: Zhang B., Lab Chip 17, 20176

Bio-Microfluidic Systems Lab.

我が国におけるMPSプロジェクト（AMED-MPS事業）（第一期事業：2017-2021年度）（第二期事業2022-2026年度）

出展：https://www.amed.go.jp/

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Bio-Microfluidic Systems Lab.

医薬品医療機器レギュラトリーサイエンス誌Vol.53 No.5 P390 Fig2を引用し一部改変

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Bio-Microfluidic Systems Lab.

再生医療・遺伝子治療の産業化に向けた基盤技術開発事業「再生医療技術を応用した創薬支援基盤技術の開発 」(第一期：2017～2021年度)

Kidney-MPS
腎臓の近位尿細管モデルとしてのProximal tubule-on-a-chip

共同研究者：
藤井輝夫 (東大生研)
南学正臣 (東大医)（株）ニコン
東京応化工業（株）
SCREEN HD（株） ほか

9Bio-Microfluidic Systems Lab.

腎臓の構造と機能
ネフロン（腎臓機能の最小単位）

皮質

糸球体
遠位尿細管

髄質

近位尿細管

尿管

集合管

ヘンレ係蹄

腎臓の働き：①老廃物をろ過して尿を作る、②体内の水分量やイオンバランスを調節する、③血圧を適正に制御する、④造血ホルモンを分泌して赤血球をつくる、⑤ビタミンＤを活性化させる

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Bio-Microfluidic Systems Lab.

創薬における高次in vitro評価系としてのKidney-MPS
創薬における腎臓評価のニーズ：◆ 腎毒性評価◆ 薬物代謝・排泄機能評価◆ 腎疾患モデル

問題点：
 in vitro系で有用な評価系がない
 実験動物とヒトとの種差

in vitro糸球体モデル（Glomerulus-on-a-chip）の開発

非侵襲三次元観察自動化細胞培養システムの構築

in vitro近位尿細管モデル（Proximal Tubule-on-a-chip）の開発
細胞培養観察装置
BioStation CT (Nikon)• 非侵襲三次元観察システムの構築と実装• デバイス観察に最適化された観察自動化
培養システムネフロン

11Bio-Microfluidic Systems Lab.

Proximal tubule-on-a-chip
Tubule

近位尿細管

Modeling

尿細管上皮細胞Apicalmembrane
血管内皮細胞Blood vessel

Basal
Quantitative Human Physiology (Second Edition), 2017, 752-764

Medium flow

Blue: AP channel
Red: BL channel

Upper layer

PET membrane
Lower layer

1210 mm

Bio-Microfluidic Systems Lab.

膜型チップで実施可能な実験例
培地の流れ

1．せん断応力負荷

尿細管側(AP)流路

Chip

多孔膜
血管側(BL)流路２．上皮・内皮細胞共培養
尿細管上皮細胞

血管内皮細胞３．AP-BL物質移動の経時観察
・毒性評価のリークテスト
・再吸収評価・分泌評価
蛍光物質の拡散13

レンズ（経時観察）

Bio-Microfluidic Systems Lab.

6 well plate(medium tank)
Bubbletrap
8 pumps

5 cm
Microcomputer
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Organ-on-a-chip

Bio-Microfluidic Systems Lab.

MPSの実用化に向けたANSI/SLAS規格サイズの高汎用型流体プラットフォーム(SCCMD)
Kimura H., et al., Lab Chip 24 (2024)

Power system

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Bio-Microfluidic Systems Lab.

MPSの実用化に向けたANSI/SLAS規格サイズの高汎用型流体プラットフォーム(SCCMD)
Kimura H., et al., Lab Chip 24 (2024)

断面図

回路図

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Bio-Microfluidic Systems Lab.

使用方法
Kimura H., et al., Lab Chip 24 (2024)

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Bio-Microfluidic Systems Lab.

灌流培養（せん断応力(FSS)負荷）の影響
ヒト腎臓近位尿細管上皮細胞 (RPTEC/TERT1)
Fluidic (0.1 dyn/cm2)

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Kimura H., et al., Lab Chip 24 (2024)

Bio-Microfluidic Systems Lab.

共同研究：NIKON

BioStation CT for MPS@Tokai Univ. Imaging Center for
Advanced Research

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機能：MPS用給電システム
MPS用観察システム

Bio-Microfluidic Systems Lab.

BioStation CT for MPS

共同研究：NIKON

Kimura H., et al., Lab Chip 24 (2024)

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Bio-Microfluidic Systems Lab.

腎毒性試験（細胞形態評価）
共同研究：NIKON

抗がん剤（シスプラチン: CDDP）の毒性試験

細胞形態自動観察21

Kimura H., et al., Lab Chip 24 (2024)

細胞数と細胞間隙面積の評価

Bio-Microfluidic Systems Lab.

腎毒性試験（物質リーク評価）
共同研究：NIKON

Kimura H., et al., Lab Chip 24 (2024)
Tight junction機能評価
蛍光標識試薬：200 µM Lucifer Yellow
薬剤：Cisplatin (CDDP: 0, 12.5, 25, 50,100 uM)
細胞：RPTEC/TERT1 in Fluidic conditon
断面図

Cell (-)

Cell (+)

Medium+ Lucifer yellow

RPTEC/TERT1

MediumMediumCell (+) +CDDP

CCDP

0 µM
12.5 µM
50 µM
25 µM
100 µM

CCDP0 μM
12.5 µM

80

25 µM
50 μM
100 μM60
w/o cell

Tukey; p < 0.0540Tukey; p < 0.05

Intensity (% of initial)

Secker P.F. et al., ALTEX, 2018
臨床利用濃度：10 µM

拡大図100Medium200020406080

Time (h)22Bio-Microfluidic Systems Lab.

電気化学モニタリングによる細胞状態評価
共同研究：TOK, SCREEN HD

経上皮電気抵抗（TEER）による細胞状態評価 300
TEER (Ω・cm^2)◆TEER 計測電極搭載型Fluid3D-X
断面概念図
electrodeCaco-2electrodeCaco-2 TEER計測結果（成熟推移観察）

250
200

150
1005000

TEER計測システムの外観

81216

測定ステーション

MPS⚫ 灌流培養下でのTEER計測可能⚫ リアルタイム計測可能

TEER (% of initial)

Day

計測用PC

234

酸化ストレスによるバリア機能RT評価（刺激応答観察）120
100

H2O20 mM

80601 mM

405 mM

2010 mM0010203040506070

Time (min)Nakamura H., unpublished data

Bio-Microfluidic Systems Lab.

24

Fluid3D-X®

膜上下フロー型 MPSチップ

特長◼チップ素材として非シリコーン樹脂を用い低収着性を実現◼AM （Additive Manufacturing）を用いた製造により高い設計自由度を実現◼低細胞毒性，良好な観察性 (蛍光・位相差)を実現
構造

灌流培養
観察窓

平面図

固定層
（任意）

外観
BLin
BLout

流路
上面層

Static8 days

APin

APout

上流路
多孔膜
下流路

多孔膜

Static1 day＋Fluidic
7 days

上流路
下流路

断面図

流路
下面層

東海大学/木村先生資料より2021年4月 販売開始
東京応化工業株式会社

お問い合わせ先 新事業開発本部

ヒト初代近位尿細管細胞（RPTEC）培養結果

tok_bd@tok.co.jp

MPSのほんの少しの先の未来～10年後～
MPS利用が創薬プロセスにおけるスタンダードに！
一部

動物実験代替臨床試験代替医薬品だけでなく化粧品、食品、化成品、農薬などの安全性・動態評価系への展開-EPA 2035年までに実質的動物実験廃止-FDA 近代化法2.0

CROでの運用製薬企業でのインハウスはもちろん

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国産MPS
シェア10%

海外製品ははやり
強いが・・・実現に必要なテクノロジー
周辺機器

In silico

AI・機械学習

細胞開発

手順書

Lab.
Autom.化

計測技術

もっと先の未来～10年後以降～
再生医療

Personalized
MPS

移植用臓器

テーラーメイド創薬

Bio-Microfluidic Systems Lab.

まとめ⚫

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MPSは動物実験代替法としてのin vitro評価系として期待されている。
マイクロエンジニアリングで生理的な環境を整えることによって、培養細胞の機能の維持・向上を期待できる
産官学連携のAMED-MPS事業により国産MPSデバイスの製品化が進められている

MPSの実用化に向けて、細胞技術・デバイス・材料・情報科学・ロジスティクス・RSなど様々な角度からの取り組みが重要

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Bio-Microfluidic Systems Lab.

新技術の特徴・従来技術との比較
ANSI/SLAS規格に機能を集積化することによって、従来MPS技術の問題点であった、ユーザビリティ（使いやすさ）を改良することに成功した。
⚫ 本技術の適用により、装置の小型化・低コスト化が可能となり、初期コストが1/100程度まで削減されることが期待される。
⚫ 従来の製品の用途は培養操作のみに限定されていたが、本技術は、細胞培養に加え、細胞のリアルタイムでの光学的・電気化学的観察・評価への応用も可能となった。
⚫

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Bio-Microfluidic Systems Lab.

実用化に向けた課題と企業への期待【課題】⚫ 現在、基本的な構造・機能・構成については開発済み。現在はプロトタイプなので、3Dプリンタによって作製している。
→製品化に向けた生産性の向上・材料（低細胞毒性・低薬剤吸着/収着）の検討が必要。
⚫ 今後、スループット性向上のための機能集積化も必要（現在6系統までは開発済み）。
【期待】⚫ MPSを開発中の企業、MPS分野への展開を考えている企業に、本技術の導入を期待したい。
⚫ MPSデバイスの製品化とサービサーとしてMPSの運用。
⚫ MPSニーズを有するユーザー企業（製薬・食品・化成品・化粧品）企業との共同研究を希望。
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Bio-Microfluidic Systems Lab.

企業への貢献、PRポイント⚫

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⚫

本技術は、MPSの大幅なコストダウンとユーザビリティの向上により、ユーザーのMPS導入障壁を下げるものであり、製造・ユーザー両方に貢献できる
本技術の導入にあたり必要な追加実験を行うことで科学的な裏付けを行うことが可能
MPSの本格導入にあたっての技術指導等

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Bio-Microfluidic Systems Lab.

本技術に関する知的財産権⚫ 発明の名称 ：細胞培養装置⚫ 出願番号⚫ 出願人⚫ 発明者：特願2020-58541：東海大学：木村啓志ほか
特開2021-153520

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Bio-Microfluidic Systems Lab.

お問い合わせ先

東海大学
学長室（研究推進担当）
ＴＥＬ 0463-58-1211（内線：4620）
e-mail sangi01@tsc.u-tokai.ac.jp

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Bio-Microfluidic Systems Lab.