Developing an Organoid on a Chip for Cardiac Research | Cell Culture Surface | Corning

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オーガン・オン・チップの登場により医薬品開発が劇的に加速する可能性があります。しかし、合成環境下で組織化された特定の細胞培養モデルを使用することでいかなる生物学上の課題をも解決できるわけではありません。例えば心臓の極めて重要なポンプ作用を担う心筋細胞のように、より専門的なアプローチを必要とする細胞培養モデルもあります。

そこで、オルガノイド・オン・チップ技術の出番です。

オルガノイドは、ある細胞集団のin vivo環境を模倣した人工的なモデルです。オルガノイド・オン・チップは、このような環境を再現し、単一なプラットフォームの便利な実験用ツールで、自動化装置に組み込める強みを持ちます。心臓オルガノイドを乗せたチップの場合、埋め込まれた電極により、細胞の電気的活動を3次元で読み取り、測定値を記録することができます。

電子オーガン・オン・チップと呼ばれるこの電極を利用したイノベーションは、心臓電気生理学の研究に革命をもたらし、救命につながる治療をより早く市場に出すことができる可能性があります。

電子オーガン・オン・チップはどのように機能するのか?

心臓オーガン・オン・チップについて最も重要なことは、健常な細胞増殖を促進し、それらの細胞の活動を定時的に非侵襲的な方法で読み取ることです。心筋細胞は、心拍数を決定するペースメーカー細胞からの電子信号に反応して収縮します。電気的活動に対する心筋細胞の反応をリアルタイムで効率的に読み取れなければ、その心筋細胞モデルは研究者にとっては使い物になりません。

読み取りは、オルガノイドに埋め込まれた電気コイルとオルガノイドの周りにまかれたリボン状のセンサーにより行います。電気活性を直接読み取ることは、細胞の生理学的な変化を目に見える形で現れるのを待つことなく、様々な化学的処理の効果を確認する唯一の方法です。

電気的機能を読み取る能力と同様に重要なのは、その電気活性によって引き起こされる物理的収縮を測定する能力です。細胞の動きを観察し収縮力を推定するには、物理的・光学的な方法があり、その多くは上記の電気的アッセイと同時に行われています。

心臓に関する洞察を提供

心臓の細胞は、ほぼ病気に耐えられない、ほんの一握りの細胞種のひとつです。瞬間的な機能低下やわずかな機能効率の低下が心臓の不整脈を引き起こし、場合によっては死に至ることもあります。細胞はそれ自身の状態を目に見えるシグナルで示さなければならないので、心臓の電気活性を読み取ることができなければ、どの治療法が効果的でどの治療法が効果的でないのかを見分けるのは難しいのです。

他のオーガン・オン・チップ技術と同様に、電子チップ上のオルガノイドは、例えばラットなどの哺乳類動物モデルに代わる効率的な人工の代替品として、従来時間がかかっていた創薬プロセスを改善できる可能性があります。治療から観察可能な機能的変化までにかかる時間とコストを削減することで、研究者は医薬品開発にショットガン・アプローチをとることができます。つまり、時間のかかる試験で全体的なプロセスを停滞させることなく、増殖因子の最も妥当な組み合わせのほとんどを試すことができるのです。

オーガン・オン・チップで複数回の試行が必要なくなるわけではありませんが、各試行を加速させることができます。チップ上のオルガノイドも試験内容は同じですが、試験結果はより洗練されています。

より良いツール、より良い治療法

心臓病が医療従事者の頭を悩ませているのは、心臓が一瞬の機能障害にさえ耐えられないことです。この問題に対峙するために、研究者は問題と同じくらい機敏なツールを必要としています。チップ上の電気的に敏感なオルガノイドにより、研究者はついにそのツールを自由に使えるようになるかもしれません。より速く、より効率的なツールは、ラットが成熟するのを待って解剖するのにかかる時間(とストレス)を大幅に軽減させます。

電気生理学的活動を直接読み取ることで、研究を継続するかどうかの意思決定を迅速かつ効果的に行う事ができ、研究者は効果的な治療に向けてより迅速に行動することができます。心臓医学の観点からは、これにより、より効果的な創薬が可能となり、組織生物学の直接的な理解が深まることが期待されます。