Organ-on-a-chip（臓器チップ）
ハイスループットスクリーニングによるOrgan-on-a-chip細胞モデルアッセイの自動化

Organ-on-a-chipとは？

Organ-on-a-chip（OoC：臓器チップ）とは、微細加工技術を用いて、肺、心臓、腸などの生物製臓器のミニチュアモデルをチップサイズのデバイス上に作成する技術のことです。これらのマイクロファブリケーション・デバイスは、マイクロスケールのプラットフォーム上で培養された生きたセルで構成されており、それらが表現する臓器の構造と機能を模倣しています。セルは通常、臓器の本来の3次元構造を模倣するように配置され、臓器の生理的環境を表現するために血液や空気などの流体が灌流されます。

Organ-on-a-chip技術は、臓器内の複雑な微小環境や細胞の相互作用をより精度高く再現できるため、より正確で信頼性の高い臓器や組織のモデルを作成するために使用されます。3D細胞モデルは、従来の2D細胞培養よりも正確で現実的な方法であり、疾患、医薬品開発、毒物学の研究に使用することができます。

OrganoPlate®3-レーン64培養チップと、ECMゲルに対して増殖した細胞の細管を模式的に示した図

Organ-on-a-chip技術の仕組み

Organ-on-a-chip技術は通常、目的の臓器の形態を模倣した形状に成形されたポリマー材料で構成されます。その後、細胞をチップ上に播種し、増殖させ、組織の細胞組成や構造に類似した機能的な3D構造を形成します。場合によっては、臓器のマイクロ流路を模倣し、細胞に血流や栄養・酸素を含む生理的条件を供給するようにチップを設計することもあります。

目的の臓器をよりリアルに表現するために、様々なタイプのセルを組み合わせて3D構造が形成されます。これは、異なる層のセルを使ったり、臓器の細胞外マトリックスを模倣するためにハイドロゲルベースのマトリックスを使ったりすることによって実現します。また臓器の機械的、電気的、化学的な微小環境を模倣するために、様々な技術を適用することができます。例えば、チップを液体で灌流させて血流を与えたり、機械的に刺激して心臓の収縮を模倣したりすることができます。さらに、細胞の健康と機能をモニターするために、酸素、pH、温度などを測定するセンサーをチップに組み込むことも可能です。

チップはインキュベーター内に置かれ、顕微鏡やイメージング、生化学的アッセイなど様々な技術を用いて細胞の成長をモニターすることができます。チップが完全に機能するようになれば、科学者たちはこれを利用して、コントロールされた再現性の高い方法で、疾病、薬剤開発、毒物学を研究することができます。なぜなら、チップは実験が行われるたびに、同じ条件を同じ方法で模倣するために使用することができ、科学者は異なる実験や治療法にわたって一貫してデータを比較することができるからです。

ハイスループットスクリーニングのためのOrgan-on-a-chipアッセイの自動化

ここでは、Organ-on-a-chip培養の自動化、モニタリング、および細胞分析の自動化のためのワークフローについて説明します。この自動化法では、細胞培養の自動化とモニタリングを可能にする複数のインストゥルメンテーション機器からなる統合ワークセルを利用します。ハイコンテントイメージングシステムは、3D細胞モデル開発の特性評価、および化合物の効果の試験を可能にします。そして統合システムには、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、自動CO2インキュベーター、リキッドハンドラー（Biomek i7）、および協働ロボットが含まれています。モレキュラーデバイスは、細胞播種、培地交換の自動化、3D血管系の発達と成長のモニタリングのための方法を開発しました。この方法は、自動化された化合物試験と毒性効果の評価を簡単に実施できます。

モレキュラーデバイスのハイコンテントイメージャー・ソリューションが、どのようにOrgan-on-a-chipシステムの3Dイメージングをスケールアップし自動化できるかについて、シニアアプリケーションサイエンティストであるオクサナ・シレンコのポスタープレゼンテーションをご覧ください。

図1. ワークセル内の各インストゥルメンテーションのレイアウトを(A)に示す。インストゥルメンテーションは統合ソフトウエア（Green Button Go）によって制御され、プロセスのセットアップが可能である。培養中のセルをモニターするプロセスの例を（B）に示す。ここでは、プレートをインキュベーターからImageXpress® Confocal HT.aiに移動して明視野でイメージングし、その後インキュベーターに戻している。このプロセスはスケジューリングすることもでき、イメージングが必要なプレートをリストとして入力することで、バッチ処理を簡単に行うことができる。培地交換（フィーディング）のためのリキッドハンドラーを含む、より複雑なルーチンを実装することもできる。

Organ-on-a-chip（臓器チップ）を支援する製品・サービス

IN Carta
画像解析ソフトウェア

複雑な生物学的画像やデータセットから、ロバストで定量的な結果を提供します。

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MetaXpress
ハイコンテント画像取得・解析ソフトウェア

ImageXpressインストゥルメンテーションに最適化された幅広いアプリケーションに対応するマルチレベル解析ツール

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細胞イメージング
システム

自動デジタル顕微鏡から最新の機械学習解析ソフトウェアを備えたハイスループット共焦点イメージングシステムまで、ハイコンテントイメージングと解析ソリューション

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マイクロプレートリーダー
ソリューション

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