On-chip heart construction by 3D cell patterning

通过 3D 细胞图案构建片上心脏

基本信息

批准号：
20H02596
负责人：
田中陽
金额：
$ 11.23万
依托单位：
Institute of Physical and Chemical Research
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20H02596/
关键词：
心臓 3次元パターニング心筋細胞薬剤試験オルガノイド

项目摘要

臓器や細胞の複雑な構造や機能の再構成は、生物学・医学などの分野のみならず、創薬や再生医療に向けても近年その重要性を増している。だが、従来の研究はデバイス中に2次元的に細胞を並べるだけで、その機能を再現しているとは言い難かった。本研究では心臓を例にとり、心筋細胞がどのようにブリッジや中空の構造を形成しているかも力学的機序を明らかにして微細デバイス内に立体的に配置・制御し、その収縮力によるポンプ機能と自己還流機能を備え、薬剤試験や再生医療に応用しうるオンチップ心臓を作ることを目指す。当該年度は、昨年度までに確立した心筋デバイスの基礎的な機能の検証とその医学応用に向けた実証実験の結果を踏まえ、これを実際に埋め込みデバイス等に用いる際に問題となる電源の問題を解決するため、人の動作で発電が可能な環境発電機の作製について検討を行った。具体的には、人のゆっくりした低周波の動きで発電を可能とするため、水の解離現象を利用し、ガラスの微細流路に水を流すことでイオンの分離を起こし、これによって発電するような小型のデバイスを開発し、数mWレベルの発電や無線通信が可能なことを示した。これは、外部との通信により、埋め込みデバイスの操作や体の状態のフィードバックを得るといった機能を実装することにもつながり、埋め込みデバイスの可能性を大きく拡げたといえる。

近年来，器官和细胞的复杂结构和功能的重建变得越来越重要，不仅在生物学和医学等领域，而且在药物发现和再生医学领域。然而，之前的研究只是将细胞二维地排列在装置内，很难说它已经再现了该功能。在这项研究中，我们将以心脏为例，阐明心肌细胞如何形成桥梁和中空结构，并在微型装置内对它们进行三维排列和控制，并利用其收缩力开发泵的机械机制。创建具有功能和自灌注能力的片上心脏，可应用于药物测试和再生医学。本财年，我们将在去年建立的心肌装置的基本功能验证和针对其医疗应用的示范实验结果的基础上，致力于解决实际使用时可能出现的电源问题。为了解决这个问题，我们研究了一种可以通过人体运动发电的能量采集器。具体来说，为了能够通过人缓慢、低频的运动来发电，我们利用水的离解现象，使水流过玻璃中的微通道，使离子分离，从而产生电力。我们开发了这样的小型设备，并证明可以产生几毫瓦的电力并进行无线通信。这就导致了操作植入设备、通过与外界通讯获取身体状况反馈等功能的实现，极大地扩展了植入设备的可能性。