Organ-on-a-Chip (OOC) は、体内の臓器レベルの生理機能を再現するために、生きた細胞や組織で裏打ちされた小さな半透明のデバイスです。
人間の生活を模倣するコンピューター チップはフィクションの話ですが、勤勉な科学者の創意工夫により、フィクションの技術が現実のものになりました。オルガン オン チップは、コンピュータ チップのサイズであることを除けば、オルガンと同じように動作する小型デバイスです。
肺チップのアニメーション モデル (写真提供:XOHDY/Shutterstock)
オルガン オン ア チップはどのように作られていますか?
携帯電話、ラップトップ、または CPU を分解すると、大量の小さな電気チップが見つかります。これらのチップは、脳のニューロンのように、デバイスの動作コンポーネントです。では、私たちの内臓がこのような切りくずだったらと想像してみてください。
マイクロ流体チップの開発
ウィス研究所の研究者はまさにそれを行いました!彼らは、さまざまな分野の専門家と協力して、コンピューターのマイクロチップに似たマイクロ流体培養装置を設計しました。
マイクロ流体チップは、ガラスやシリコンなどの半透明の素材でできており、平均的なコンピューターの USB スティックのサイズです。その控えめなサイズにもかかわらず、心臓、腸、腎臓、肺などの人間の臓器の働きを完全にシミュレートできます。
チップ内の小さなチャネル (写真提供者:luchschenF/Shutterstock)
チップ上にエッチングされた流体を含む相互接続された小さなチャネルがあるため、「マイクロ流体」と呼ばれます。この液体は、生きている臓器に存在する液体を化学的に模倣しています。
10 セント硬貨と比較したハート オン チップのサイズ (写真提供者 :Flickr)
チップ内のチャネルには臓器の細胞が並んでいるため、これは「培養装置」です。したがって、キドニー・オン・ア・チップが必要な場合は、チップのチャネルに腎臓細胞を並べ、ハート・オン・ア・チップでは心臓細胞を使用します。
これらの細胞は成長し、最終的には親臓器を完全に模倣する組織を形成しますが、わずかな外部の助けが必要です.心臓や肺などの臓器では、ポンプと呼吸をそれぞれシミュレートするために機械的圧力が適用されます。これらの小さなデバイスは、細胞に栄養を与えるための人工血管さえ持っているほどの優れた臓器ドッペルゲンガーです!
キドニー・オン・ア・チップ (写真提供:ワシントン大学/ウィキメディア・コモンズ)
基本的に、これらのチップは実際の臓器のミニチュア版であり、さまざまな細胞層と、酵素、ホルモン、さらには毒素などの付属成分をすべて備えています!
オルガン オン ア チップの利点
病気を治すためには、私たちの体がどのように機能するかを理解する必要があります。さまざまな臓器が個別に、また連携してどのように機能するかについての知識は、より優れた医薬品や医薬品を開発するために不可欠です。
人間の臓器を使用することは倫理的に問題があるため、医学研究では代わりに、生理学が人間のシステムに非常に似ているマウスやウサギなどのモデル生物を使用します。これらの無防備な動物は病気に感染しているため、科学者は病気が臓器にどのように影響するかを研究したり、可能な治療法をテストしたりできます.これらはすべて人類を守るために行われますが、その過程で無数の動物が犠牲になっています。
動物モデルは常に確実に人体を再現するとは限らないため、多くの場合、努力は無駄に終わります。
したがって、これらの動物実験では、たった 1 つの化合物に 20 億ドル以上の費用がかかることが多いにもかかわらず、人間の反応を十分に予測することはできません。
組織培養プレートでの細胞の培養 (写真提供:Hakat/Shutterstock)
細胞培養
科学者には、代わりに細胞培養を使用するオプションがあります。細胞培養は基本的に、プラスチック皿で増殖および維持されるヒト細胞です。このようにして、研究者は動物実験と人間への適用性との間のギャップを埋めることができます.
ただし、細胞培養は依然として人間の臓器組織の 2D レプリカであり、生きて呼吸している人体で発生する複雑な相互作用を再現することはできません。臓器オンチップとは異なり、培養で増殖した細胞は身体の動的環境にさらされないため、臓器反応の完全に信頼できる予測因子ではありません.
この新しい技術は、より正確で信頼できる前臨床データを提供できるため、動物実験を完全に置き換えることができます。 OOC は、組織、細胞、タンパク質、遺伝子などの下位レベルのコンポーネントに至るまで相互作用を可能にします。それらは、薬物送達の調査と新しい治療手段の探索を目的として、治療に関連する機能を正確に再現します。
チップの半透明性は、細胞が感染にどのように反応するかをリアルタイムで確認するのに特に役立ちます。たとえば、インフルエンザウイルスによって引き起こされるような肺感染症は、治療法を特定することを期待して複製することができます.
肺チップ (写真提供:ハーバード大学/ウィキメディア コモンズ)
OOC はまた、研究者が汚染やタバコの煙などの環境要因が個人の生理機能にどのように影響するかを調査することを可能にします。たとえば、肺オンチップは、スモークマシンからの煙にさらされる可能性があります。チップ内の列は、粒子状物質の堆積と詰まりがないか観察されます。
肺チップの回路図 (写真提供:Meletios Verras/Shutterstock)
OOC はロケットで宇宙に打ち上げられたことさえあります。宇宙旅行はさまざまな形で人間の生理機能に影響を与えますが、これらのチップはそれらすべてを特定するのに役立ちます。
人や動物の命を危険にさらすことなく、これらすべてが可能です。
結論
Organ-on-a-chip は、生物学、工学、技術の完璧な組み合わせであり、研究の世界が直面する主要な問題を解決します。重要な生物学的研究と薬物検査は、臓器が体内で機能している真の状態で臓器を研究することによってのみ行うことができます.臓器を体外に維持することの難しさを無視しても、人間の臓器は貴重すぎて実験に使用できません。それらは移植目的で高い需要があり、研究用途で「無駄にする」ことはできません。 OOC テクノロジーの導入により、この空白が埋められました。 Wyss の研究者は、肺オンチップ、心臓オンチップ、腎臓オンチップなどのさまざまな OOC を接続する方法も開発し、組み合わせた「人体オンチップ」を開発しました。これは、体の薬物反応の包括的な分析に役立ちます。
ヒューマン ボディ オン チップ (写真提供:NCATS/ウィキメディア コモンズ)
