客观日本

日本成功开发出角膜芯片,再现“眨眼”动作

2020年05月14日 电子电气

京都大学物质-细胞综合系统基地(iCeMS)的龟井谦一郎副教授和Rodi Abdalkader特定助教利用微细加工技术,成功开发了通过细胞培养系统再现人角膜结构的器件。该研究结果有望用于眼药水开发,还可作为所需的动物实验的代替方案。

title

图:研究示意图(插图:高宫泉水 iCeMS特定助教)

透明的眼角膜如果生病,会因浑浊等导致视觉障碍,有时甚至可能失明等。为治疗这类疾病,人类开发了眼药水等治疗药物,但利用兔子等实验动物无法预测其对人的功效和毒性。不仅因为与实验动物之间存在物种差异,还因为眨眼的频率也不同。

所以,此次研究着眼于“微流体器件”,这种器件采用可加工非常小的微米级材料的微细加工技术。利用这种器件,可以再现人体中的血管网络和组织。通过在该器件上培养人源角膜上皮细胞,并增减细胞培养液,成功开发出了可以再现眨眼动作的“人角膜模型”。

此次取得的成果不仅能为开发新的角膜治疗药做出贡献,还有望作为动物代替方案,减少实验动物的使用。

背景

我们的生活中有很多“药物”,药是健康生活不可或缺的物品。开发一种新药需要数百亿日元以上的巨额费用和10年以上的漫长时间。另外,并不是所有的药品开发都能成功,还存在成功率非常低的课题。

其中,眼药不仅能改善眼睛干燥和充血,还能治疗眼部炎症和眼病等。开发眼药时要评估药效、安全性和毒性等,但由于使用的是兔子等实验动物,无法准确进行评价。尤其是兔子,每小时只“眨眼”10~12次,而人每小时眨眼1,000次,相差非常大,这是物种差异的原因之一。因此,亟需开发能再现人“眼”的新试验方法。

近年来,作为利用培养系统培养的人体器官模型,采用基于微细加工技术的微流体器件的“Oran on a Chip(器官芯片)”受到关注(图1)。这是在器件内制作模拟组织结构的模型的技术,可以实现利用以往的细胞培养板等无法再现的组织功能。在2016年的世界经济论坛上,器官芯片与新一代电池和自动驾驶汽车等一同入选为“十大新兴技术(Top 10 Emerging Technologies)”,其重要性与日俱增。

title

图1:近年来开始受到关注的器官模型“Organ on a Chip(器官芯片)”
(出处:Huh et al., Lab Chip, 2012, 12, 2156)

研究内容与成果

因此,为开发可以实施角膜药物渗透试验和毒性试验的体外人体模型(图2),研究团队开发了将人角膜上皮细胞引入微流体器件中的新实验系统“角膜芯片”(图3、4)。

title

图2:此次研究再现的人角膜结构和眨眼时的眼泪运动

title

图3:此次研究开发的“角膜芯片”概念图

title

图4:角膜芯片

研究团队开发该芯片有以下三个目的:①实施药物的角膜上皮渗透性试验、②验证眨眼给角膜上皮细胞施加的剪切应力、③通过剪切应力提高角膜上皮的功能。首先,芯片的材料采用生物相容性高、透气性和透光性也都比较高的聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane:PDMS)。另外,通过在微流体器件内设置多孔膜,在上面培养角膜上皮细胞,可以评估角膜上皮细胞的成膜性和药物渗透性。此外,为再现眨眼的剪切应力,使用了可双向驱动的注射泵。

title

图5:在角膜芯片内培养的角膜上皮细胞的ZO-1蛋白质(绿色)表达。角膜发挥作用需要ZO-1。与以往的方法(利用通透性嵌套(Transwell))相比,可以确认表达量增加。左图比例尺为50μm,右图比例尺为100μm。

研究团队利用免疫细胞染色法确认了在制作的芯片内培养的人角膜上皮细胞(HCE-T)的膜功能(图5)。可以确认,发挥膜功能所需的ZO-1蛋白质在培养的第7天强烈表达,另外还确认,其表达比以前使用通透性嵌套的培养更强。

title

图6:在角膜芯片内培养的角膜上皮细胞中的CK-19蛋白质(红色)的表达。角膜成熟需要CK-19。可以确认,与静态培养相比,施加双向剪切应力的话,CK-19的表达会增加。比例尺为50μm。

接下来,利用免疫细胞染色法确认了双向剪切应力对角膜上皮细胞成熟的影响(图6)。经确认,随着施加双向剪切应力,角膜成熟标志物CK-19蛋白的表达增强。由此确认,此次研究开发的“角膜芯片”能以功能更高的状态培养角膜。

未来展望

此次研究成功开发了不仅是角膜结构,还再现了眨眼动作的体外人体模型“角膜芯片”。该芯片作为预测眼药水的药效、安全性和毒性对人体的影响的新方法备受期待,这些利用以往的动物实验是难以实现的。

另外,作为动物实验的代替方案也值得期待,有助于减少实验动物的使用。近年来,从动物保护和伦理的角度出发,全球都在减少实验动物的使用,有时甚至会禁止使用。例如,EU已经禁止在化妆品开发中使用实验动物。像此次的研究这样,迫切需要开发不使用实验动物,而是实现人体模型的技术。

论文信息
题目:Multi-corneal barriers-on-a-chip to recapitulate eye blinking shear stress forces
期刊:《Lab on a Chip》
DOI:10.1039/C9LC01256G

日语发布原文

文:JST客观日本编辑部

专题网页