Duodenum Intestine-Chip S1

Duodenum Intestine-Chip for Toxicity Assessment

＜概要＞
このアプリケーションノートでは、Emulate社のDuodenum Intestine-Chip を用いて、消化管毒性で知られるインドメタシンの毒性評価を行った事例を紹介しています。

主な特長

• オルガノイド由来のプライマリー上皮細胞とヒト小腸微小血管内皮細胞 (siHIMECs) を共培養したモデルを使用。
• Duodenum Intestine-Chip は腸組織を模倣し、体内に近い生理機能を再現して薬剤安全性評価に活用可能。
• インドメタシンの安全性は、I-FABP 蓄積、LDH 放出、形態変化、バリア機能など複数の指標で評価。

Trust your gut: Establishing confidence in gastrointestinal models – An overview of the state of the science and contexts of use. ALTEX 41(3), 402-424（2024）.

Organ Models: Intestine (Colon, Duodenum)
Application: Toxicology

＜概要＞
2023 年10 月に米国NIH で開催された「Trust Your Gut」ウェビナーとワークショップでは、消化管 (GIT：GastroIntestinal Tract) 関連毒性評価における新しいアプローチ手法 (NAMs：New Approach Methods) の現状と課題が議論されました。NAMs は動物実験の制約を克服する可能性があり、単層細胞系から三次元オルガノイドまで多様なモデルが存在しますが、ヒト消化管の複雑な機能を完全に再現するにはまだ課題があります。規制面でのニーズやリスク評価への導入、全身毒性や薬物動態評価、アレルギー性評価への応用可能性、そしてモデルの強み・限界・データギャップについても検討され、規制利用に向けた信頼構築の重要性が強調されました。

Identification of pharmacological inducers of a reversible hypometabolic state for whole organ preservation. eLife 13:RP93796 September 24, 2024

Organ Model: Liver, Intestine (Caco2)
Application: Organ transplantation

＜概要＞
代謝や生理機能を可逆的に遅らせる薬剤は、特に心臓のような低酸素再灌流障害に敏感な臓器の保存に有用です。本研究では、Gut-Chip とLiver-Chip を用いて試験化合物の代謝抑制能力を評価しました。SNC80 の存在下で、組織の総ATP 産生が減少し、代謝全体の遅延が確認されました。

Direct therapeutic effect of sulfadoxine-pyrimethamine on nutritional deficiency-induced enteric dysfunction in a human intestine chip. eBioMedicine, Volume 99, 2024, 104921

Organ Model: Intestine (Duodenum)
Application: Metabolic Disease

＜概要＞
スルファドキシン-ピリメタミン (Ssu-Pyrimethamine) 抗マラリア療法は、マラリア感染とは無関係にサブサハラアフリカの妊婦において乳児の出生体重を増加させる可能性が示唆されています。本研究では、女性由来の腸オルガノイド細胞を用いたマイクロ流体Organ Chip モデルで、SP が腸機能に直接影響を与え、胎児の成長に重要な脂肪や栄養素の吸収を改善するかを調査しました。ヒトの十二指腸上皮細胞と腸内皮細胞を組み合わせた女性成人腸モデルを作製し、栄養不足を模倣するために栄養欠乏培地を流し、絨毛の萎縮、粘液産生低下、栄養吸収障害、炎症性サイトカインの増加などの腸機能障害を再現しました。SP は、ヒト末梢血単核球 (PBMCs：Peripheral Blood Mononuclear Cells) の有無で投与しました。

Nutritional deficiency in an intestine-on-a-chip recapitulates injury hallmarks associated with environmental enteric dysfunction.

Organ Model: Intestine (Duodenum)
Application: Model Development

＜概要＞
環境性腸機能障害 (EED：Environmental Enteric Dysfunction) は、絨毛の萎縮、腸管バリア機能の低下、栄養吸収の障害を特徴とする慢性炎症性腸疾患です。本研究では、EED 患者由来のオルガノイド上皮細胞を用い、ナイアシンアミドとトリプトファンを欠く栄養欠乏培地で培養したヒト腸オンチップモデルにより、EED に関連する遺伝子発現や表現型の特徴を再現しました。栄養欠乏により、EED 患者の腸組織で見られる遺伝子変化の多くがチップ上でも確認され、健康な上皮細胞およびEED 上皮細胞のチップでは絨毛萎縮やバリア機能障害、脂肪酸およびアミノ酸の吸収障害が生じました。特にEED 上皮細胞チップでは炎症性サイトカインの分泌が増加しました。

Combining Human Organoids and Organ-on-a-Chip Technology to Model Intestinal Region-Specific Functionality. J Vis Exp. 2022 May 5;(183).

Organ Model: Intestine (Colon and Duodenum)
Application: Model Development

＜概要＞
腸粘膜は栄養素や異物の輸送・吸収・代謝を行い、微生物との共生や病原体の侵入防止など多様な機能を持つ複雑な物理的・生化学的バリアです。腸組織の恒常性維持には多様な細胞種とその環境との機能的相互作用が不可欠であり、これをin vitroで再現することは新たな治療標的や薬剤開発に革新をもたらす可能性があります。近年、オルガノイドとOrgan-on-a-Chip 技術を組み合わせることで、ヒトの小腸 (十二指腸) や大腸由来のオルガノイドを用いた腸チップが開発され、各部位の特徴を保持した単層細胞層として培養可能となりました。チップの下層には腸特異的な微小血管内皮細胞を配置し、上皮-内皮界面を再現しています。このプラットフォームは栄養素や薬剤、微生物の腔内曝露を可能にし、腸の輸送、透過性、宿主-微生物相互作用の研究に適しています。本稿では、十二指腸チップと大腸チップの作製および連続流動と蠕動運動様変形下での培養法を詳細に解説し、十二指腸チップを用いた薬物代謝およびCYP3A4 誘導の評価法を示します。さらに、大腸チップでのインターフェロンγ によるバリア機能障害 (リーキーガット症候群) のモデル化手順と、透過性変化、サイトカイン分泌、トランスクリプトーム解析の評価法も提供しています。

Establishment of physiologically relevant oxygen gradients in microfluidic organ chips. Lab Chip, 2022, 22, 1584

Organ Model: Intestine (Duodenum)
Application: Model Development

＜概要＞
ヒト臓器のin vitro モデルは、遺伝子発現や代謝、宿主と微生物の相互作用を再現するために、体内で観察される酸素濃度と勾配を正確に再現する必要があります。本研究では、プライマリーヒト十二指腸上皮細胞と腸微小血管内皮細胞を用いた二重チャネルの小腸オンチップモデルにおいて、生理的に適切な酸素分圧を実現する簡便な方法を紹介します。コンピューターシミュレーションにより、PDMS チップの特定部位にガス不透過フィルムを貼ることで酸素透過性を低減し、細胞の好気呼吸により上皮腔内の酸素濃度を自然に低下させ、安定した酸素分圧 (36 mmHg未満、5%未満) を達成できることを予測しました。実験では酸素センサー内蔵チップでこの酸素勾配の維持が確認され、72時間にわたり絨毛上皮と連続した内皮層の形成および腸管バリア機能の維持が示されました。この手法は効率的かつ低コストでスケールアップ可能なため、微生物叢や酸素感受性の研究におけるOrgan Chip 技術の信頼性と応用性を高めます。

Enteric coronavirus infection and treatment modeled with an immunocompetent human intestine-on-a-chip. J Vis Exp. 2022 May 5;(183).

Organ Model: Intestine (Duodenum)
Application: Infectious Disease

＜概要＞
コロナウイルス (SARS-CoV-2やNL63など) はACE2 受容体を介して細胞に感染し、多くの患者で消化器症状が見られ、ウイルス蛋白が消化管に存在するものの、腸への炎症や病理学的影響は十分に解明されていません。本研究では、患者由来オルガノイド腸上皮とヒト血管内皮を組み合わせたヒト腸オンチップモデルを用いて、NL63 コロナウイルス感染に対する宿主の細胞応答と炎症反応を解析しました。チップ上での培養は、静的培養やTranswell に比べてACE2 タンパク質の発現を大幅に増加させました。NL63 感染により内皮のバリア機能が低下し、サイトカイン産生の増加や末梢血単核球の動員が観察されました。プロテアーゼ阻害薬ナファモスタットはウイルス侵入を抑制し、ウイルス量と炎症を減少させましたが、COVID-19 治療薬のレムデシビルは効果がなく、内皮に毒性を示しました。

Human immunocompetent Organ-on-Chip platforms allow safety profiling of tumor-targeted T-cell bispecific antibodies. eLife 2021;10:e67106

Organ Model: Intestine (Colon, Duodenum) and Lung
Application: Toxicology, Immunology & Inflammation, Cancer

＜概要＞
従来の薬剤安全性評価は、特に免疫系を標的とする薬剤においてヒトでの合併症を予測できないことが多いです。本研究では、腫瘍抗原を標的とするT細胞二重特異性抗体 (TCBs：T-Cell Bispecific antibodies) の安全性評価において、ヒトのLung-Chip とIntestine-Chip という2 つのOrgans-on-Chips が優れた能力を示すことを明らかにしました。FOLR1 やCEA を標的としたTCB のin vivo データを基に設計・検証したこれらの免疫機能を備えたチップモデルは、標的発現量や抗体親和性などの重要因子に基づき、TCB の標的依存的な安全性リスクを再現・予測できました。

Duodenum Intestine-Chip for Preclinical Drug Assessment in a Human Relevant Model. eLife 2020;9:e50135.

Organ Model: Intestine (Duodenum)
Application: ADME

＜概要＞
新薬開発において、腸内の薬物代謝酵素誘導は薬物相互作用 (DDI：Drug-Drug Interactions) を引き起こし、薬物動態や安全性、有効性に影響を与えるため課題となっています。動物モデルでは種差が大きく、正確な予測が困難なため、ヒト成人腸を再現したモデルの開発が求められています。本研究では、オルガノイドとOrgan-Chip 技術を組み合わせてDuodenum Intestine-Chip を作製し、腸組織の構造や機能を忠実に再現しました。このチップは、極性を持つ細胞構造、腸管バリア機能、特殊な細胞群の存在、主要な腸内薬物輸送体の発現・局在・機能を示し、特にCaco-2 細胞モデルと比較してCYP3A4 の発現および誘導能が向上しています。このモデルは、ヒトの薬物動態やDDI リスクのより正確な予測に貢献すると期待されます。

Enhanced Utilization of Induced Pluripotent Stem Cell–Derived Human Intestinal Organoids Using Microengineered Chips. Cell Mol Gastroenterol Hepatol. 2017 Dec 29;5(4):669-677.e2.

Organ Model: Intestine (Duodenum)
Application: Immunology & Inflammation

＜概要＞
ヒト腸オルガノイドの三次元構造は取り扱いが難しいことがあります。ここでは、iPS 細胞由来のオルガノイドを小型のマイクロエンジニアリングチップに組み込むことで、より研究しやすくする方法について説明します。