Surface engineering of PDMS using gelatin-polyvinyl alcohol for renal cell-compatible microfluidic applications

腎臓がんは、体自身の細胞が、血液を濾過する器官である腎臓に対して牙を剥くという、複雑な疾患です。より優れた治療法を見つけるために、科学者たちは、人体を模した方法で生きた細胞に対して薬をテストする必要があります。数十年にわたり、研究者たちはこれらの細胞を平らなプラスチック製の皿の中で育ててきましたが、この静止した環境では、決定的な細部を見落としてしまいます。実際の人体内では、細胞は栄養を運び、老廃物を除去する流れる液体に常に浸されています。この流れはまた、細胞に対して穏やかな物理的圧力を及ぼし、それが細胞の振る舞いや薬への反応を変えることがあります。これを研究するために、科学者たちはマイクロ流体チップと呼ばれる、透明で柔軟なプラスチックで作られた、いわば極小の配管システムのような装置を使用します。これらのチップにより、研究者は微細なチャネル（溝）を通じて液体を送り込み、細胞が生き、リアルタイムで反応する様子を観察することができます。しかし、これらのチップを作るために使用されるプラスチックは、本来は水をはじく性質があるため、細胞が表面に付着して適切に成長することが困難です。細胞が接着できなければ、実験は失敗となります。したがって、課題は、液体の流れを安定させ予測可能な状態に保ちつつ、このプラスチックを繊細な腎細胞が繁栄できるほど「親しみやすい」ものにすることです。

最近の研究において、研究者たちは、腎細胞をサポートするために特別に設計された、マイクロ流体チップ用の新しい表面を作り出すことで、この問題の解決に取り組みました。彼らは、透明で柔軟であり、成形が容易であることから、これら微小デバイスの標準的な素材となっているポリジメチルシロキサン（PDMS）と呼ばれる材料に注目しました。未処理のPDMSの問題は、レインコートが雨を弾くのと同じように、水を弾く疎水性を持っていることです。生きた細胞には生存のための水が必要であるため、この滑りやすい表面に付着することに苦労します。これを解決するために、チームは2つの一般的な物質からなるコーティングを開発しました。一つは、細胞の付着を助けるコラーゲン由来のゼラチンであり、もう一つは、表面をより「濡れやすく」する水に馴染みやすいポリマーであるポリビニルアルコールです。彼らは、異なる組み合わせの材料を平らなプラスチックシート上でテストし、どの組み合わせが腎細胞を最もよく広げ、成長させるかを調べました。その結果、どちらか一方のみを使用する場合よりも、両方の混合物を用いた方が効果的であり、水を弾く表面を、細胞を歓迎する表面へと変えることができました。

最適なコーティングを特定した後、研究者たちはそれを実際にテストするために、3つのチャネルを持つマイクロ流体デバイスを構築しました。この設計は、細胞を育てるための2つのサイドチャネルと、流体や薬を送り込むための中央チャネルを備えています。彼らは、漏れがないように特殊なプラズマ処理を用いて3枚のプラスチックシートを接合し、デバイスを製作しました。デバイスが機能することを証明するために、彼らは緑色の染料を毎分10マイクロリットルの速度でチャネル内に送り込みました。染料は、漏れたり詰まったりすることなく、ネットワーク全体をスムーズに流れ、あらゆる隅々まで満たし、微細な配管が完全であることを確認しました。次に、彼らはこれらのチャネル内の物理的条件を算出しました。流れは緩やかで安定しており、速度は約1.59ミリメートル毎秒でした。チャネルが非常に狭く、流体が非常にゆっくりと移動していたため、水は混沌と渦巻くのではなく、「層流」として知られる、非常に予測可能で滑らかな挙動を示しました。壁を押し上げる水の力は非常に穏やかで、約0.059パスカルと測定され、これは繊細な細胞を傷つける可能性が低い圧力レベルです。

デバイスが漏れのないことが確認され、流れの条件がマッピングされた後、チームは生物学的テストへと移りました。彼らは、ゼラチンとポリビニルアルコールの混合物でチャネルの内側をコーティングし、その後、腎がん細胞をシステム内に導入しました。顕微鏡下では、細胞が広がり、コーティングされた壁に付着している様子が観察されました。これは、その表面が生命に対して適合していることを示す兆候です。細胞が健康であるかどうかを確認するため、研究者は、生きた細胞では緑色に、死んだ細胞では赤色に光る特殊な染色剤を使用しました。画像には強い緑色の輝きが見られ、赤色はほとんど見られず、これはチップ内の複雑で閉鎖された環境に配置された後も、細胞が生存し、健全であることを示していました。これは、新しいコーティングが、単なる平らな皿の上だけでなく、チップ内の複雑な環境においても生命を支えられることを証明する、極めて重要なステップでした。

細胞が治療に対してどのように反応するかを理解するために、研究者たちは同じ種類の細胞を用いて、通常の平らな皿での標準的な薬物テストも行いました。彼らは、がん細胞と対照群である非がん性腎細胞に対し、2種類の異なる薬、5-フルオロウラシルとヒドロキシクロロキンを曝露させました。結果として、がん細胞はもう一方の薬よりも5-フルオロウラシルに対してはるかに感受性が高く、また、非がん性細胞に対する感受性よりも5-フルオロウラシルに対する感受性が高いことが示されました。これは、5-フルオロウラシルが、健康な細胞をそれほど傷つけることなく、がん細胞を死滅させる可能性があることを示唆しています。ただし、これらの薬物テストはマイクロ流体チップ内ではなく、平らな皿の中で行われたものであり、これらは期待される結果の基準値を提供したものです。本研究では、これらの薬をマイクロ流体デバイス内で投与したり、連続した流れの条件下で長期間テストしたりすることはまだ行っていません。むしろ、この研究は、表面工学が成功したこと、およびデバイスが細胞を保持できることを示す「概念実証（プルーフ・オブ・コンセプト）」としての役割を果たしました。

本研究は、ゼラチンとポリビニルアルコールを混合することで、マイクロ流体チップの表面を腎細胞にとって好ましい環境へと変えることが可能であると結論付けています。この進歩は、将来、科学者が同一のデバイス内でがん細胞と健康な腎細胞を並べて育て、流れる薬に曝露させることで、治療がそれぞれのグループに具体的にどのような影響を与えるかを調査するための基礎を築くものです。研究者たちは、まだチップ内でのこれらの比較薬物テストを行っていませんが、漏れのないデバイス、穏やかで制御された流れ、そして細胞が生存し成長できる表面という、必要な基盤を確立しました。この材料科学と流体力学の組み合わせは、新しいがん治療法をテストするための、より現実的な、人間の腎臓のミニチュアモデルの作成に向けて、この分野を一歩前進させるものです。