Name: 3D流体チップにおける肺切除術後の内皮グリコカリックスのモデル化 - 血管ベースの臓器オンチップシステムの構築へのアプローチ (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-09-16T13:20:00.000+00:00
Duration: 6 min 12 s
Description: 学ぶ 血管オンチップシステム構築法と肺切除術後の内皮グリコカリックス損傷との相関関係。シリコーンエラストマーを用いた3D流体チップモデルは、従来技術より優れた生体模倣性を示し、血管応答研究に有用です。

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肺切除術は、右肺または左肺を摘出するために行われる侵襲的でリスクの高い外科的介入です1。この処置は通常、肺がん、肺結核、外傷性肺損傷などのさまざまな重篤な病気の治療オプションとして利用されます2。この処置には有望ですが、不整脈から肺水腫に至るまでの術後合併症の発生率の増加によって強調される重大なリスクが生じます1。
肺摘出術は、心臓の心拍出量全体を残りの肺に向けることにより、心血管動態に大きな影響を与えます3。この血流の方向転換は、残りの肺血管系内の圧力とせん断応力を増加させることが知られています4。血流パターンのこれらの大きな変化により、内皮グリコカリックス(GCX)は、血流パターンのこれらの変化を感知する上で極めて重要な役割を果たします5。
GCXは、環境の変化に応じて生化学的活性を調節するゲル状の層です6,7。その発現は、静的培養と比較して、均一な流れに長時間さらされると増加し、乱れた流れにさらされると減少することが示されています8,9。GCXは、血管系全体にわたって0.1〜1μmの範囲の可変厚さを示し、血管の内皮細胞をコーティングする必須の機械伝達層として機能します10。このネットワークは、図1に示すように、糖、脂質、タンパク質の緻密な層で構成されています。これらの糖は結合して糖鎖を形成し、血流中に自由に存在することも、タンパク質や脂質に結合することもでき、プロテオグリカン、糖タンパク質、または糖脂質が形成されます7,11。プロテオグリカンはグリコサミノグリカン (GAG) 鎖で構成されており、血漿タンパク質または受容体を介して細胞膜に結合します。これらの GAG には、ヘパラン硫酸 (HS)、ヒアルロン酸 (HA)、コンドロイチン硫酸 (CS)、デルマタン硫酸、およびケラタン硫酸12 が含まれます。ヘパラン硫酸は主要な GAG であり、GCX に見られる総 GAG の 50% 以上を占めています。これらの側鎖は、CD44(表面接着受容体)とともに、グリピカン(グリコシルホスファチジルイノシトールによって固定)およびシンデカン(膜にまたがるドメインを持つ)を含む埋め込みコアタンパク質に結合することができます。上記の複合体は、成長因子の調節、抗炎症反応、血管拡張の促進、血管透過性の制御に重要な役割を果たします13。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67246/67246fig1v2.jpg"> 
図1:GCXコンポーネント図。 内皮グリコカリックスの成分を表す概略図。この概略図は、血管の内腔にある頂端グリコカリックスを示し、その膜結合プロテオグリカンと糖タンパク質を示しています。BioRender.com で作成この <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67246/67246fig1v2large.jpg" target="_blank">図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
肺摘出術と GCX 損傷との正確な関係は十分に研究されていませんが、肺摘出術によって誘発される血流パターンの変化と GCX の完全性との間にはもっともらしい相関関係が存在します。血管系内の血流の乱れは、GCX6 に損傷を与えることが知られています。肺切除術後の残りの血管系の乱れた流れの増加とせん断応力の変化が、時間の経過とともに GCX に損傷を与える可能性があるという仮説を立てました。この悪化の加速は、術後の合併症や罹患率を触媒し、それによって患者の全体的な健康に対する固有のリスクを高める可能性があります13。
このプロトコルは、図 2 に概説されている一般的な手順に従って、肺切除術後の肺血管系をモデル化することを目的としていました。流体シミュレーションは、肺切除術の有無にかかわらずヒト肺血管系を再現するコンピューター支援設計モデルで実施されました。肺切除モデルは、CT スキャンと文献データから導き出された寸法に基づいて、3D モデリング ソフトウェアで 3D 肺血管系を設計し、計算流体力学 (CFD) ソフトウェアでの流れシミュレーションのためにさらに簡素化することによって作成されました。シミュレーションでは、対照と比較して肺切除モデルでせん断応力が増加した領域によって選択された、特定の関心領域が特定されました。これらの関心領域は、in vitroモデルを構築するために複製するために選択されました。in vitro モデルでは、流体チャンバー設計を利用して、正常な形状と肺切除術の形状を持つ血管系の複数のセクションをシミュレートし、流れ条件の違いをシミュレートしました。
ヒト肺微小血管内皮細胞(HLMVEC)を、選択された分岐領域を模倣するように形状されたフィブロネクチンでコーティングされたポリジメチルシロキサン(PDMS)基質上で培養しました。微小血管内皮細胞培養培地は、蠕動ポンプを使用してシステムを通して灌流されました。最後に、細胞とGCXを固定し、GCX染色抗体で免疫染色し、蛍光顕微鏡を使用して視覚化して、流体の流れにさらされた後の状態を評価しました。プロトコルの一般的なタイムラインを表1に示します。
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67246/67246fig2.jpg"> 
図2:OOC開発シーケンス。 肺肺切除術の効果を研究するための新しいOOCシステムの開発の順序 (1) ヒト肺血管系から生成されたCTスキャン。(2) 3D CADモデルの関心領域を特定するために使用されるCTスキャン形状。(3) in vitro モデルで関心のある形状を決定するための流体流シミュレーション。(4) シミュレーション結果から関心のある領域を含む PDMS 金型をモデル化 (5) 灌流用の金型を固定するためにアクリルケースに金型を挿入 (6) フローチャンバーのセットアップを完了しました (7) インキュベーターに移されたフローチャンバーのセットアップを完了しました (8) せん断応力にさらされた後に撮影された明視野および蛍光画像。BioRender.com で作成この <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67246/67246fig2large.jpg" target="_blank">図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
表 1: 一般的なプロトコルのタイムライン。 プロトコル内でステップを実行する一般的なシーケンスと、各ステップの平均期間 (h)。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/67246/Table%201.xlsx" target="_blank">この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>

<table><tbody><tr><td>#8-32 x 3/4インチコンボ丸頭亜鉛メッキ小ねじ( 8 パック)</td><td>エバービルト</td><td>204274613</td><td>-</td></tr><tr><td>0.25%EDTA-トリプシン</td><td>サーモフィッシャーサイエンティフィック</td><td>25200056&nbsp;</td><td>-</td></tr><tr><td>15mL円錐形滅菌ポリプロピレン遠心分離管</td><td>サーモサイエンティフィック</td><td>12-565-269</td><td>-</td></tr><tr><td>35x10mmディッシュ、Nunclon Delta</td><td>サーモサイエンティフィック</td><td>153066</td><td>-</td></tr><tr><td>50mL円錐形滅菌ポリプロピレン遠心分離管</td><td>サーモサイエンティフィック</td><td>12-565-271</td><td>-</td></tr><tr><td>各種ゴム栓</td><td>フィッシャーブランド</td><td>14-132</td><td></td></tr><tr><td>BioLite細胞培養処理フラスコ(25cm^2)</td><td>サーモサイエンティフィック</td><td>12-556-009</td><td>-</td></tr><tr><td>BioLite細胞培養処理フラスコ(75cm ^ 2)</td><td>サーモサイエンティフィック</td><td>12-556-010</td><td>-</td></tr><tr><td>COMSOL マルチフィジックス</td><td>コンソル</td><td>該当なし</td><td>-</td></tr><tr><td>両面接着剤&nbsp;</td><td>3メートル</td><td>16758005</td><td>-</td></tr><tr><td>エプレディア リチャード アラン サイエンティフィック カバー ガラス&nbsp;</td><td>サーモサイエンティフィック</td><td>22-050-218</td><td>-</td></tr><tr><td>ウシ胎児血清</td><td>サーモフィッシャーサイエンティフィック&nbsp;</td><td>A5256701&nbsp;</td><td>-</td></tr><tr><td>フィブロネクチン</td><td>サーモフィッシャーサイエンティフィック&nbsp;</td><td>33016015&nbsp;</td><td>20 & ムー;g/mL希釈</td></tr><tr><td>フィッシャーブランドIsotempデジタル制御ウォーターバス:モデル210</td><td>フィッシャーブランド</td><td>15-462-10Q</td><td>-</td></tr><tr><td>フィッシャーブランド滅菌シリンジ (60mL)</td><td>フィッシャーブランド</td><td>14-955-461</td><td>-</td></tr><tr><td>ヒト肺微小血管内皮細胞</td><td>シグマ・アルドリッチ</td><td>540-05A&nbsp;</td><td>-</td></tr><tr><td>キーエンス BZX810 蛍光顕微鏡</td><td>キーエンス</td><td>該当なし</td><td>-</td></tr><tr><td>Krayden Dow Sylgard 184 シリコンエラストメーターキット。クリア、(1.1LB)</td><td>ダウ</td><td>4019862</td><td>-</td></tr><tr><td>Marga Cipta キャスト アクリル シート 厚さ 1/2 フィート、48x96 フィート</td><td>マルガ・チプタ</td><td>該当なし</td><td>-</td></tr><tr><td>Masterflex L/S Easy-Load II ポンプヘッド</td><td>マスターフレックス</td><td>77200-50</td><td></td></tr><tr><td>Masterflex L/S 精密ポンプ チューブ、プラチナ硬化シリコン、L/S 16;25フィート</td><td>マスターフレックス</td><td>96410-16</td><td>-</td></tr><tr><td>Masterflex L/S 標準蠕動ポンプ</td><td>マスターフレックス</td><td>07522-20</td><td></td></tr><tr><td>マイクロピペット 0.2〜2 &L</td><td>フィッシャーブランド</td><td>FBE00002</td><td>-</td></tr><tr><td>マイクロピペット10〜100&μ;L</td><td>フィッシャーブランド</td><td>FBE00100</td><td>-</td></tr><tr><td>マイクロピペット 100 から 1000 &L</td><td>フィッシャーブランド</td><td>FBE01000</td><td>-</td></tr><tr><td>マイクロピペット5〜50&μ;L</td><td>フィッシャーブランド</td><td>FBE00050</td><td>-</td></tr><tr><td>微小血管内皮細胞増殖培地(500ml)</td><td>シグマ - アルドリッチ</td><td>111-500</td><td>-</td></tr><tr><td>Nalgene滅菌シリンジフィルター</td><td>サーモサイエンティフィック</td><td>725-2520</td><td>-</td></tr><tr><td>ニコン Eclipse TS-100 蛍光顕微鏡</td><td>ニコン</td><td>NI-TS100</td><td></td></tr><tr><td>リン酸緩衝生理食塩水(DPBS、10X)、ダルベッコの処方</td><td>サーモサイエンティフィック</td><td>J61917です。K3</td><td>-</td></tr><tr><td>Prusament PLA Prusa Galaxy Black 1kg</td><td>プルサ</td><td>PRM-PLA-GLX-1000</td><td>-</td></tr><tr><td>Rebelハイブリッド顕微鏡、正立および倒立、Echoの発見</td><td>エコー</td><td>76376-746</td><td>-</td></tr><tr><td>シリコーンシーラント&nbsp;</td><td>ロックタイト</td><td>908570</td><td>-</td></tr><tr><td>ソリッドワークス</td><td>ダッソー・システムズ</td><td>該当なし</td><td></td></tr><tr><td>滅菌ポリスチレンディスポーザブル血清ピペット、拡大鏡ストライプ付き( 10mL )</td><td>フィッシャーブランド</td><td>13-678-11E</td><td>-</td></tr><tr><td>拡大鏡ストライプ付き滅菌ポリスチレンディスポーザブル血清ピペット( 25mL )</td><td>フィッシャーブランド</td><td>13-678-11</td><td>-</td></tr><tr><td>拡大鏡ストライプ付き滅菌ポリスチレン使い捨て血清ピペット( 50mL )</td><td>フィッシャーブランド</td><td>13-678-11階</td><td>-</td></tr><tr><td>拡大鏡ストライプ付き滅菌ポリスチレン使い捨て血清ピペット( 5mL )</td><td>フィッシャーブランド</td><td>13-678-11D</td><td>-</td></tr><tr><td>ストレプトアビジン、Alexa Fluor 488 複合体</td><td>インビトロジェン&nbsp;</td><td>S32354</td><td></td></tr><tr><td>ストレプトアビジン、Alexa Fluor 488 複合体</td><td>インビトロゲン</td><td>S32354</td><td>-</td></tr><tr><td>シリンジ resevoir&nbsp;</td><td>BDの</td><td>300865</td><td></td></tr><tr><td>Thermo Scientific Alfa Aesar 1LT アルブミン、ウシ、フラクション V、35% ソルン、試薬グレード、脂肪酸フリー、アジドを保存</td><td>サーモサイエンティフィック</td><td>N12H004</td><td>-</td></tr><tr><td>チューブコネクタ</td><td>フィッシャーブランド</td><td>01-000-161</td><td>-</td></tr><tr><td>VECTASHIELD退色防止封入媒体(DAPI&nbsp付き);</td><td>ベクタシールド</td><td>H-1200-10</td><td>-</td></tr><tr><td>VWR ウォータージャケット付き CO2 インキュベーター</td><td>アバンタル&nbsp;</td><td>10810-744&nbsp;</td><td>-</td></tr><tr><td>WGAビオチン化抗体</td><td>ベクトル</td><td>B-1025</td><td>-</td></tr></tbody></table>

3d流体チップにおける肺切除術後の内皮グリコカリックスのモデル化 - 血管ベースの臓器オンチップシステムの構築へのアプローチ

Modeling the Endothelial Glycocalyx Post-Pneumonectomy in a 3D Fluidic Chip - An Approach to Fabricating a Vascular-based Organ-on-Chip System

流体シミュレーション層流定常状態研究の結果は、 図11に示すように、対照モデルと比較して、肺切除モデルの特定の分岐点でせん断応力の増加を示しました。プロトコルのステップ2.8で視覚化すると、赤い領域はせん断応力の高い領域を示し、青色の領域はせん断応力の低い領域を示します。
<img alt="Figure 11" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67246/67246fig11.jpg"> 
図11:シミュレートされた関心のある領域。 肺切除モデル上の関心領域を可視化する流体シミュレーション(A)対照モデルの明るい青色の領域は、せん断応力の高い領域を示しています。(B)左側の肺切除モデルの赤い領域は、せん断応力が高い領域を示して...

3D流体チップにおける肺切除術後の内皮グリコカリックスのモデル化 - 血管ベースの臓器オンチップシステムの構築へのアプローチ

Endothelial glycocalyx (GCX), a carbohydrate-rich layer coating the luminal surface of endothelial cells, plays a pivotal role in regulating cellular ...

modeling-endothelial-glycocalyx-post-pneumonectomy-3d-fluidic-chip-an

Research

JoVE Journal

Bioengineering

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マイクロマシンマイクロ流体プラットフォームにおける簡単な3次元スキンオンチップモデルの生成

このプロトコルの目的は、生体整血、コラーゲンベースのヒドロゲル、心臓組織工学、薬物スクリーニング、および疾患モデリングにおける応用のために、心臓線維芽細胞(CF)と共培養された幹細胞由来心筋細胞で構成される、高度に整列したヒト心臓組織の三次元(3D)微小流体モデルの開発を説明し、実証することである。...

マイクロ流体プラットフォーム内での3D組織化ヒト心臓組織の開発

本プロトコルは、初代組織(皮膚、肺胞、気道、および腸)の全層臓器チップ培養の確立と成熟を成功させるためのOpen-Top Organ-Chipの機能と本質的な培養モダリティを説明し、ヒトの上皮/間葉系および血管ニッチ界面のさまざまな機能的側面をin...

オープントップ臓器チップ上でのヒト上皮組織の細胞構造と機能の再構成

Lung-on-Chipモデルは、空気と液体の界面と内皮細胞の灌流を模倣することで、従来の2D培養を凌駕し、肺生理学研究に不可欠な血流と栄養交換をシミュレートします。これにより、肺研究の関連性が高まり、呼吸器感染症の理解と治療を進めるためのダイナミックで生理学的に正確な環境が提供されます。...

肺胞粘膜免疫応答を研究するための免疫適格肺胞オンチップモデル

私たちは、Vessels-on-a-Plate(VOP)と呼ばれる3Dバイオプリンティング技術を使用して、標準的な6ウェルプレート上で柔軟なサイズと目的のパターンを持つ血管チャネルのハイスループット生産のためのプロトコルを提示します。このプラットフォームは、内皮の障害に関連する疾患の治療法の開発を進める可能性を秘めています。...

サイズとパターンの柔軟性を備えた標準的な 6 ウェルプレートにおける血管透過性をモデル化するためのハイスループットバイオプリンティング法

学ぶ 血管オンチップシステム構築法と肺切除術後の内皮グリコカリックス損傷との相関関係。シリコーンエラストマーを用いた3D流体チップモデルは、従来技術より優れた生体模倣性を示し、血管応答研究に有用です。

3D流体チップにおける肺切除術後の内皮グリコカリックスのモデル化 - 血管ベースの臓器オンチップシステムの構築へのアプローチ

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