結合半導體製造等領域的微細加工技術和以iPS細胞爲代表的生命科學研究，在小型晶片上再現人體器官的技術開發變得活躍起來。NTT利用凝膠材料所具有的良好生物相容性和物質滲透性，成功地在晶片上製作了微流路。其目的是實施一種能夠在晶片上再現更接近活體的血管等作爲患者的「分身」 的技術，這將有助於診斷和冶癒。
「器官晶片」相關技術的動向 |
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1991年 |
透過在試管内的模式化培養形成心室心肌 |
1998年 |
利用PDMS（一種硅）製作微流路器件 |
2006年 |
開發出小鼠iPS細胞 |
2010年 |
製作出類比呼吸時的肺部收縮的“肺晶片” |
2015年 |
利用iPS細胞培養出“迷你腎” |
2040年前後 |
製作出反映個別差異的多器官晶片 |
2050年前後 |
實施在虛擬空間再現個人的身體和心理的“生物數位分身” |
透過在晶片上結合微流路和培養細胞等來類比人體器官的技術被稱爲「器官晶片」。雖然已開始用於調查藥物候學選物質的有效性和安全的實驗，但其功能仍然有限。
在用凝膠製作的微流路中培養細胞（圖片由NTT提供）
NTT物性科學基礎研究所的高橋陸研究員等人開發出了利用内部含水的三維網狀聚合體材料「水凝膠」製作管狀構造流路的技術。水凝膠與生物體親和性比較高，容易透過氧氣和營養等物質，還具備伸縮性和柔性。作爲器官晶片目前使用的硅和塑膠等的替代材料備受期待，但在晶片上控制形狀的技術一直存在課題。
高橋等人認爲，利用薄膜發生的「扭曲剝離」現象可以控制形狀。從兩端向基底層上的薄膜施力時，中心部分的薄膜會從基底層上剝離並隆起，薄膜與基底層之間會形成管狀空腔。
具體來說，就是把凝膠吸水後膨脹的變化作爲引起剝離的力利用。將凝膠薄膜鋪到玻璃基底層上，形成與基底層粘合的區域和未粘合的區域。凝膠膨脹後，未與基底層粘合的區域就會發生剝離，形成空腔。
透過調整凝膠的厚度和成分等條件，成功製作了直線、曲線、分支和合流等多種形狀的微流路。還在流路中長時間地三維培養了細胞。利用凝膠製作的流路方便施加變形等物理可用能刺激和藥劑等化學刺激。高橋介紹稱，最適化細胞培養條件的話，「能在晶片上再現更接近活體的血管和腸道」。
NTT在2020年發佈的醫療健康願景中提出了「實施生物數位分身（Bio digital twin）」。生物數位分身的意思是在網路空間再現每個人的身體和心理情況。這是一個非常宏大的構想，將結合人工智慧（AI）等預測技術，利用「分身」爲針對個體進行最適化的精準醫療和健康維護做貢獻。
器官晶片還能用來調查創造「分身」時需要收集個人的哪些身體資料。目前尚處於在晶片上形成單一器官的階段，但將來有望在晶片上再現多個器官，還有望實施能反映器官個別差異的「分身」。
NTT預測，2040年前後爲個人量身定製的多器官晶片將實施實用化，2050年前後可以實施「生物數位分身」。
有助於開發新藥和提高效率
2010年美國哈佛大學的研究所首先開發出了在晶片上再現呼吸時肺部收縮運動的「肺晶片」，一舉成爲器官晶片的先驅。現在不僅是心臟，還在研究腸道、肝臟和腎臟等多種器官晶片。
目前的器官晶片的主要目的是用於藥物開發。新藥候選物質以前一直利用培養細胞和小鼠等實驗動物來驗證有效性和安全。但到了透過人體進行驗證的臨牀試驗階段，經常出現因無法應答有效性，或發現意料之外的副作用而中止開發的情況，因爲培養細胞和實驗動物與人體有很大不同。
提高器官晶片的複製性，就有可能觀察到比以往的方法更接近人體的藥物反應。在化妝品開發等領域都在減量動物實驗的國際趨勢中，也需要有一種優越的替代方法。
在日本，東京大學和京都大學等正在推進器官晶片的開發，東京工業大學、橫濱市立大學和理化學研究所等正在研究利用iPS細胞培養用於晶片上的細胞。還有堆積細胞製作立體組織的「生物3D列印」法。各種技術的融合對進一步提高性能也非常重要，比如實施多種器官相連接的多器官晶片等。
日文：越川智瑛、《日經產業新聞》，2021/04/30
中文：JST客觀日本編輯部
