科學研究 - 日本成功開發出角膜晶片，再現「眨眼」動作

京都大學物質-細胞綜合系統基地（iCeMS）的龜井謙一郎副教授和Rodi Abdalkader特定助教利用微細加工技術，成功開發了透過細胞培養系統再現人角膜結構的器件。該研究結果有望用於眼藥水開發，還可作爲所需的動物實驗的代替方案。

圖：研究示意圖（插圖：高宮泉水 iCeMS特定助教）

透明的眼角膜如果生病，會因渾濁等導致視覺障礙，有時甚至可能失明等。爲冶癒這類疾病，人類開發了眼藥水等冶癒藥物，但利用兔子等實驗動物無法預測其對人的功效和毒性。不僅因爲與實驗動物之間存在物種差異，還因爲眨眼的頻率也不同。

所以，此次研究着眼於「微流體器件」，這種器件採用可加工非常小的微米級材料的微細加工技術。利用這種器件，可以再現人體中的血管網路和組織。透過在該器件上培養人源角膜上皮細胞，並增減細胞培養液，成功開發出了可以再現眨眼動作的「人角膜模式」。

此次取得的成果不僅能爲開發新的角膜冶癒藥做出貢獻，還有望作爲動物代替方案，減量實驗動物的使用。

背景

我們的生活中有很多「藥物」，藥是健康生活不可或缺的物品。開發一種新藥需要數百億日元以上的鉅額費用和10年以上的漫長時間。另外，並不是所有的藥物開發都能成功，還存在成功率非常低的課題。

其中，眼藥不僅能改善眼睛乾燥和充血，還能冶癒眼部發炎和眼病等。開發眼藥時要評估藥效、安全和毒性等，但由於使用的是兔子等實驗動物，無法準確進行評價。尤其是兔子，每小時只「眨眼」10～12次，而人每小時眨眼1,000次，相差非常大，這是物種差異的終極因數之一。因此，亟需開發能再現人「眼」的新試驗方法。

近年來，作爲利用培養系統培養的人體器官模式，採用基於微細加工技術的微流體器件的「Oran on a Chip（器官晶片）」受到關注（圖1）。這是在器件内製作類比組織結構的模式的技術，可以實施利用以往的細胞培養板等無法再現的組織功能。在2016年的世界經濟論壇上，器官晶片與新一代電池和自動駕駛汽車等一同入選爲「十大新興技術（Top 10 Emerging Technologies）」，其重要性與日俱增。

圖1：近年來開始受到關注的器官模式「Organ on a Chip（器官晶片）」
（出處：Huh et al., Lab Chip, 2012, 12, 2156）

研究内容與成果

因此，爲開發可以實施角膜藥物滲透試驗和毒性試驗的體外人假體型（圖2），研究團隊開發了將人角膜上皮細胞引入微流體器件中的新實驗系統「角膜晶片」（圖3、4）。

圖2：此次研究再現的人角膜結構和眨眼時的眼淚運動

圖3：此次研究開發的「角膜晶片」概念圖

圖4：角膜晶片

研究團隊開發該晶片有以下三個目的：①實施藥物的角膜上皮滲透性試驗、②驗證眨眼給角膜上皮細胞施加的剪切線應力、③透過剪切線應力提高角膜上皮的功能。首先，晶片的材料採用生物相容性高、透氣性和透光性也都比較高的聚二甲基矽氧烷（Polydimethylsiloxane：PDMS）。另外，透過在微流體器件内設置多孔膜，在上面培養角膜上皮細胞，可以評估角膜上皮細胞的成膜性和藥物滲透性。此外，爲再現眨眼的剪切線應力，使用了可雙向驅動的注射泵。