iPS細胞でヒト心臓の機能を知る~ハートオンチップ型マイクロデバイスの開発~

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2020-11-05 理化学研究所

理化学研究所(理研)生命機能科学研究センター網膜再生医療研究開発プロジェクトのアブラティ・モシャ研修生(臨床橋渡しプログラム[1]升本研究室研修生)、升本英利上級研究員(同研究リーダー)、集積バイオデバイス研究チームの田中陽チームリーダーらの共同研究グループは、ヒトiPS細胞[2]技術と微細加工によるマイクロデバイス[3]技術を用いて、高感度にヒト心臓の機能を評価する「ハートオンチップ[4]型マイクロデバイス」を開発しました。

本研究成果は、iPS細胞を用いた心臓の再生医療や創薬研究に貢献すると期待できます。

心臓病に対する再生医療や創薬研究においては、ヒトiPS細胞から人工的に作製された三次元的なヒト心臓組織の応用が期待されています。しかしこれまで、再現された人工心臓組織の機能を高感度に評価できる系は確立されていませんでした。

今回、共同研究グループは、ヒトiPS細胞から作製し、動的トレーニング培養[5]によって厚みを持たせた細胞シート状の三次元的なマイクロ心臓組織と、微細加工技術を用いたマイクロ流路による流体的な心臓機能の評価系を組み合わせることで「ハートオンチップ型マイクロデバイス」を開発し、これまでにない高感度な人工心臓の機能評価系を確立しました。

本研究は、科学雑誌『Scientific Reports』オンライン版(11月5日付)に掲載されます。

ハートオンチップ型マイクロデバイスの模式図(左)と創薬研究への応用イメージ図(右)の図

ハートオンチップ型マイクロデバイスの模式図(左)と創薬研究への応用イメージ図(右)

背景

心臓病は、世界的に死亡原因の多くを占めています注1)。特に進行した心不全では、既存の薬剤による治療効果は限られているため、有効な治療薬の開発が望まれています。また、心臓移植を必要とするような重症心不全では、細胞移植などの再生医療が新たな治療法として期待されています。

近年、ヒト人工多能性幹細胞(iPS細胞)から得られた心筋細胞を用い、心臓病に対する再生医療や創薬への応用を試みる研究が進んでいます。しかし、心臓の組織は心筋細胞だけでなく、血管細胞や繊維芽細胞など多種多様な細胞が三次元的に構築されて成り立っているため、心筋細胞のみを用いた方法では、実際の心臓の機能を再現することには限界があります。

共同研究グループの升本英利上級研究員らは、2017年に、心臓に含まれる多様な細胞(心筋細胞や血管を構成する細胞など)をヒトiPS細胞から誘導し、それらを含むヒト心筋組織の機能を模した細胞シート状の人工心臓組織の作製に成功しています注2)。この人工的なヒト心臓組織は、疾患により機能が損なわれた心臓に移植することで機能の回復を目指す、再生医療への応用が期待されます。また創薬分野においても、さまざまな候補化合物を投与してその反応を測定することで、心臓に対する薬効評価や副作用の検証を迅速に行える可能性があります。これらの応用研究を進めるためには、人工心臓組織の血液を送り出すポンプとしての機能を測定する系が必要となりますが、高感度に人工心臓組織の機能を測定する系はこれまで確立されていませんでした。

注1)2016年の全世界死因1位はIschaemic heart disease(虚血性心疾患)で、約940万人が亡くなっている。
WHO「The top 10 causes of death(24 May 2018)」

注2)Kawatou, M. et al. Modelling Torsade de Pointes arrhythmias in vitro in 3D human iPS cell-engineered heart tissue. Nat Commun 8, 1078, (2017).

研究手法と成果

共同研究グループは、微小な電気機械システムであるMicro Electro Mechanical Systems(MEMS)[3]を用いたオーガンオンチップ[4]技術により、マイクロ流路を含むマイクロ流体チップをデザインし、ヒトiPS細胞由来の人工心臓組織の微細な流体ポンプ機能の可視化を試みました。

マイクロ流体チップ上に装着する三次元的な心臓組織のもととなる細胞は、升本上級研究員らが2014年に開発したヒトiPS細胞からの効率的な分化誘導方法注3)によって得た、心臓を構成する多種の細胞を用いました。これらの細胞を温度感受性培養皿[6]で培養し、細胞シート状の人工心臓組織を形成させた後、1~2週間の動的トレーニング培養を行いました注4、5)。これにより、内部に血管網を持つ、厚み150~200マイクロメートル(μm、1μmは1,000分の1mm)程度の三次元的なマイクロ心臓組織を作製することに成功しました(図1)。

動的トレーニング培養により得られたヒトiPS細胞からの三次元的なマイクロ心臓組織の図

図1 動的トレーニング培養により得られたヒトiPS細胞からの三次元的なマイクロ心臓組織

(左)心筋細胞(赤)および血管壁細胞(血管内皮をとりまく細胞;緑)。スケールバーは200μm。
(中)血管内皮細胞(緑)。マイクロ心臓組織内に血管網が形成されている。スケールバーは200μm。
(右)心筋層(茶)。マイクロ心臓組織は150μmを超える厚みを持つ。

注3)Masumoto, H. et al. Human iPS cell-engineered cardiac tissue sheets with cardiomyocytes and vascular cells for cardiac regeneration. Sci. Rep. 4, 6716, 2014.

注4)Jackman, C. P., Carlson, A. L. & Bursac, N. Dynamic culture yields engineered myocardium with near-adult functional output. Biomaterials 111, 66-79, 2016

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