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臓器チップの技術と開発動向    
Technology and Development Trends of Organ(s)-on-a-Chip
[コードNo.2018T074]

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■監修/ 酒井康行、金森敏幸
■体裁/ B5判 293ページ
■発行/ 2018年4月20日 (株)シーエムシー出版
■定価/ 86,400円(税・送料込価格)
■ISBNコード/ 978-4-7813-1325-2

 
★創薬ツールとして、チップ上に細胞を培養し臓器機能を引き出した「臓器チップ」!
★複数の臓器由来細胞をチップ上に集積化し、生体内での一連の薬物吸収・代謝過程を再現!
★創薬、疾患発症機序解明、食品栄養・機能性研究、化学物質毒性試験など、さまざまな応用が期待される!

キーワード

創薬 / 薬物動態 / 薬効試験 / 動物実験代替 / マイクロ流体チップ / ES細胞 / iPS細胞 / 3次元組織化 / 血管 / 血液脳関門 / 心臓 / 肺 / 腸 / 腎臓 / 肝臓 / 筋肉 / 骨髄 / 網膜 / 疾患モデル / 糖尿病 / がん / 腫瘍 / 生理機能モデル / マイクロ人体モデル


刊行にあたって

主に幹細胞を利用した再生医療や細胞治療の研究により、ヒト細胞に関する理解が飛躍的に高まり、さらにはヒト細胞を取り扱うため様々な周辺技術が開発されてきているが、昨今はその成果を様々な分野・用途へ応用しようという試みが盛んになってきている。言わば再生医療技術の水平展開であり、その有力候補の一つに創薬プロセスへの応用が挙げられる。

わが国は伝統的に発酵工学が強く、その延長線上の生物工学に強固な基盤があること、MEMSなどの精緻な「物作り」に関する技術に長けていることなどから、マイクロプロセスを用いてチップ上で細胞を培養し、高い臓器機能を引き出す「臓器チップ」の研究分野においても、沢山の優れた研究者が欧米と比肩した研究開発を展開している。この発展として、一つでも多くの我が国発の「臓器チップ」が産業化され、ひいては我が国の医薬品メーカーの新たなる飛躍へと寄与することを高く期待したい。また、このような「臓器チップ」は、動物実験代替の世界的潮流にも沿ったもので、当面期待される医薬品の効率化ばかりでなく、ありとあらゆるヒト個体の外部刺激への応答や、成長・成熟・疾患発症・老化といったヒトのダイナミックな一生のより良い理解のための新たなin vitroシステムとしても、中長期的に利用が期待される。

本書「はじめに」より抜粋・改変

著者一覧

酒井康行東京大学
金森敏幸(国研)産業技術総合研究所
小島肇夫国立医薬品食品衛生研究所
安西尚彦千葉大学
田端健司アステラス製薬(株)
木村啓志東海大学
藤井輝夫東京大学
田中陽(国研)理化学研究所
今任景一早稲田大学
武田直也早稲田大学
石田誠一国立医薬品食品衛生研究所
伊藤弓弦(国研)産業技術総合研究所
松崎典弥大阪大学
福田淳二横浜国立大学
森宣仁東京大学
竹内昌治東京大学
梨本裕司京都大学
横川隆司京都大学
民谷栄一大阪大学
二井信行芝浦工業大学
楠原洋之東京大学
前田和哉東京大学
佐藤薫国立医薬品食品衛生研究所
山祐三(国研)産業技術総合研究所
木田泰之(国研)産業技術総合研究所
小森喜久夫東京大学
岩尾岳洋名古屋市立大学
松永民秀名古屋市立大学
田川陽一東京工業大学
玉井美保東京工業大学
藤山陽一(株)島津製作所
須藤亮慶應義塾大学
西澤松彦東北大学
長峯邦明東北大学
鳥澤勇介京都大学
伊藤竣東北大学
Li-Jiun Chen東北大学
梶弘和東北大学
加納ふみ東京工業大学
野口誉之東京大学
村田昌之東京大学授
薄葉亮東京大学
松永行子東京大学
佐々木直樹東洋大学
中澤浩二北九州市立大学
篠原満利恵東京大学
杉浦慎治(国研)産業技術総合研究所
佐藤記一群馬大学
亀井謙一郎京都大学

目 次

【第I編 総論】
第1章臓器チップの国内外の研究開発動向と展望
1はじめに
2Human-on-a-chip
3MPSへのシフト
4今後の方向性
第2章動物実験代替法としての臓器チップへの期待
1序論
2動物実験代替法に関する国際動向
3公定化された試験法の有用性と限界
4全身毒性試験の代替開発への取り組み
4.1欧州の動向
4.2米国の動向
4.3OECDの動向
4.4日本の動向
4.5Microphysiological systemでの現状と課題
5終わりに
第3章Physiological modelとしての臓器チップへの期待
1はじめに
2生物学と生理学
3多臓器円環の概念
4多臓器円環の課題と臓器チップの有用性
5臓器チップによる「自律臓器学」の確立へ
6まとめ
第4章製薬企業から見た臓器チップへの期待
1医薬品研究開発における不確実性
2Microphysiological systemと臓器チップ
3薬物動態試験としての臓器チップ
3.1小腸
3.2肝臓
3.3腎臓
3.4血液脳関門
4製薬企業で用いる細胞培養システム
5生理学的速度論とmicrophysiological systems
6将来への期待
7モダリティの多様化とMPSへの期待
8産官学での取り組みの期待
【第U編 要素技術】
第1章臓器チップ開発のための微細加工技術
1はじめに
2ポリジメチルシロキサン(PDMS)の特徴
3製作プロセス
4臓器チップのための機能集積化技術
5細胞培養のための表面処理技術
6おわりに
第2章超薄板ガラスのマイクロ流体チップ
1緒言
2超薄板ガラスハンドリング・加工技術開発
3ガラスバルブ
4ガラスポンプ
5ガラスセンサー
6ガラスフィルター
7超薄板ガラスチップ
8結言
第3章基材の表面形状および性状が細胞に与える影響
1はじめに
2細胞の基材への接着
3基材表面の性質が細胞に与える影響
3.1化学的性質
3.2機械的性質
3.3形状
4おわりに
第4章Microphysiological systems用細胞とその標準化
1はじめに
2開発の歴史から見るMPSの変遷
3MPS用細胞に求められる性能基準
4細胞の規格化
5測定法の規格化
6おわりに
第5章高分子化学に基づく3次元組織構築
1生体組織モデルの重要性
2化学的細胞操作
3組織構築の2つのアプローチ
4細胞積層法
5細胞集積法
6肝組織チップによる薬物毒性評価
7おわりに
第6章電気化学的手法による3次元組織の構築
1はじめに
2電気化学的な細胞脱離を利用した血管構造の作製
3静水圧を利用したシーソー型送液システムの開発
4おわりに
第7章血管内包型3次元組織の構築
1はじめに
2血管内包型3次元組織の構築方法
2.1ワイヤ抜去法
2.2コラーゲン・ソフトリソグラフィ法
2.3犠牲構造除去法
2.4血管新生法
2.5各方式の比較
3血管内包型皮膚チップ
3.1皮膚チップについて
3.2血管内包型皮膚チップの開発
3.3皮膚モデルの評価
3.4経皮吸収試験への応用
4おわりに
第8章微小流体デバイス内における生体組織と血管網の融合
1はじめに
2血管内皮細胞を用いた血管網形成技術
3オンチップにおけるhLFによるHUVECの血管新生
4自己組織化によるスフェロイド内部への管腔構造の形成
5おわりに
第9章On-chip細胞デバイス
1はじめに-オンチップテクノロジーから細胞デバイスへ-
2細胞チップを用いたアレルゲンの測定
3ペプチドライブラリーアレイチップを用いた神経成長因子のスクリーニング
4局在表面プラズモン共鳴ナノデバイスを用いた細胞シグナルモニタリング
5シングル細胞解析デジタルデバイス
6マイクロ流体デバイスを用いたシングル細胞機能解析
7ラマンイメージング解析を用いた細胞分化プロセスの非侵襲解析
第10章細胞培養マイクロ流体デバイスの凍結保存
1はじめに
2細胞の凍結保存とマイクロ流体
2.1細胞の凍結保存に求められる条件
2.2細胞凍結保存のためのマイクロ流体チップ
3可搬性のある細胞凍結保存用マイクロ流体チップの開発
3.1細胞凍結用マイクロ流体チップに求められる条件
3.2デバイスの構造
3.3マイクロ流れの生成
3.4細胞の凍結保存
4おわりに
第11章Body-on-a-chipを用いた薬物動態解析と個体レベルへの外挿の重要性
1はじめに
2BOCにおけるコンパートメント中の薬物濃度に関する考察
3BOCにおいて想定される薬物動態に関する考察
4BOCから得られたデータに基づくヒト個体レベルの薬物動態への外挿のストラテジー
5体内動態における非線形性の取り扱い
6PKモデルとPDモデルとの統合による薬効予測
7終わりに
【第V編 臓器チップ】
第1章創薬のためのin vitro血液脳関門モデルの開発─現状と展望
1新薬開発と血液脳関門(blood brain barrier:BBB)
2BBBの構造と機能
3非細胞系モデル
4細胞系モデルの登場
5齧歯類細胞モデル
6ウシ(bovine)、ブタ(porcine)細胞モデル
7株化細胞モデル
8ヒト細胞モデル
9In vitro BBBモデルへの工学的アプローチ
10BBB on a chipへ
11終わりに
第2章心毒性評価の臓器チップ開発に資するヒト自律神経系の生体外再構築
1はじめに
2ヒト多能性幹細胞からの自律神経系誘導法開発
3自律神経を接続した培養ヒト心筋組織の作製
4おわりに
第3章In vitro培養肺胞モデルとチップ化検討
1はじめに
2肺胞の構造
3ヒト細胞株を用いた肺胞上皮モデル
4ラット初代細胞を用いた肺胞上皮モデル
5今後の課題
6おわりに
第4章経口投与薬物の吸収・代謝過程を模倣した小腸-肝臓連結デバイスの開発
1はじめに
2既存の腸管チップ
3小腸とデバイスに利用可能な細胞
4ヒトiPS細胞から小腸上皮細胞への分化誘導
5小腸-肝臓2臓器連結デバイス開発
5.1デバイスに対する開発コンセプト
5.2現在開発中のデバイス
6おわりに
第5章腎機能を再現するKidney-on-a-chip
1はじめに
2腎臓の機能と構造
3Glomerulus-on-a-chip:糸球体モデルデバイス
4Tubule-on-a-chip:尿細管モデルデバイス
5腎機能を集積化した多臓器モデルデバイス
6おわりに
第6章流体デバイスを用いたES/iPS細胞由来肝臓モデル
1序論
2これまでのマイクロ流体デバイスを用いた細胞培養
3肝臓の構造
4肝組織培養モデルと流体デバイス
5最後に
第7章マイクロ流体システムによる血管形成モデルと肝細胞3次元培養モデルの融合
1血管形成の培養モデル
2肝細胞3次元培養モデル
3血管形成モデルと肝細胞3次元培養モデルの融合
第8章筋肉細胞チップ
1はじめに
2収縮能を有する骨格筋細胞の培養と評価
3骨格筋細胞の3次元培養
4骨格筋と異種細胞の共培養
5おわりに
第9章骨髄機能の再現に向けたOrgan-on-a-Chip
1はじめに
2骨髄を模倣したin vitro培養システム
3生体内での骨髄の作製
4生体外での骨髄機能の維持
5薬剤評価への応用
6おわりに
第10章網膜疾患を模倣するOrgan-on-a-chip
1はじめに
2網膜の恒常性
3inner BRBを模倣するOrgan-on-a-chip
4outer BRBを模倣するOrgan-on-a-chip
5動物から採取した網膜組織を搭載するOrgan-on-a-chip
6おわりに
第11章セミインタクト細胞リシール技術を用いた糖尿病モデル細胞アレイとその解析法
1はじめに
2セミインタクト細胞リシール技術について
3リシール細胞技術を用いた「糖尿病態モデル肝細胞」作製
4イメージング技術を用いた糖尿病態細胞のフェノタイピング
5糖尿病モデル細胞アレイとFIQAS顕微鏡・画像解析システムを用いた糖尿病改善薬の可視化スクリーニング
6将来展開
第12章3次元微小血管チップによる血管新生と血管透過性の評価手法の構築
1はじめに
2従来の血管新生および透過性アッセイ手法
3ボトムアップ組織工学に基づく血管チップの作製
4血管チップを用いた新生血管の経時変化の追跡
5血管チップを用いた血管透過性の評価
6おわりに
第13章無細胞マイクロ腫瘍血管モデルの開発とナノ薬剤評価への応用
1はじめに
2ナノ薬剤を用いる薬物送達(ナノDDS)
3ナノDDSの評価系
4無細胞マイクロ腫瘍血管モデル
5多孔膜垂直配置型デバイスの開発
6おわりに
第14章スフェロイドアレイ化デバイス
1はじめに
2スフェロイドの特徴
3スフェロイド形成の原理と汎用的技術
4スフェロイドアレイ化デバイス
5肝細胞スフェロイドのアレイ化培養
6おわりに
第15章酸素透過プレートと肝モデル応用
1はじめに
2酸素透過性プレートの開発
3酸素透過プレートを用いた階層的重層化培養
4凝集体培養
5肝チップの開発動向と肝モデルへの応用
6おわりに
第16章臓器由来細胞を集積化したBody-on-a-chip
1はじめに
2バルクスケールの複数臓器由来細胞共培養装置
3マイクロスケールの複数臓器由来細胞共培養デバイス:Body-on-a-chip
4実用化に向けたBody-on-a-chip
5おわりに
第17章マルチスループットMicrophysiological systems
1背景
2圧力駆動型の循環培養デバイス
3マルチスループットMultiorgans-on-a-chip
4プラットフォームとしてのマルチスループットMicropysiological systems
5マルチスループットMultiorgans-on-a-chipを用いた抗癌剤プロドラッグの評価
6今後の展望
第18章薬物動態解析のためのマイクロ人体モデル
1はじめに
2消化、吸収、代謝を考慮に入れたバイオアッセイチップ
2.1胃・十二指腸モデル
2.2腸管吸収モデル
2.3肝臓モデル
2.4消化吸収代謝の複合モデル
3腎排泄マイクロモデル
4おわりに
第19章抗がん剤の副作用を再現するBody-on-a-chipの開発
1背景
2実験方法
2.1生体外抗がん剤副作用モデル
2.2iHCCのデザイン
2.3iHCC製造プロセス
2.4デバイス制御
2.5細胞培養
2.6iHCCにおける細胞培養
2.7iHCCにおける抗がん剤細胞試験
2.896ウェルプレートでの抗がん剤細胞試験
2.9死細胞染色
2.10顕微鏡観察と画像解析
3結果と考察
3.1iHCCにおける細胞培養
3.2iHCCにおける薬物検査
4結論



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