オルガンオンチッププラットフォームのための経上皮電気抵抗（TEER）
トランスエピセリアル電気抵抗（TEER）測定は、Organ-on-Chip（OoC）プラットフォームにおけるバリア機能、組織の完全性、および細胞間相互作用の評価において重要な役割を果たします。TEERは、細胞の単層に小さな交流電流を流し、その電流に対する抵抗を測定することで行われ、in vitroモデルの生理学的関連性と機能性に関する貴重な洞察を提供します。これにより、研究者は制御されたマイクロ環境内で細胞が成長している間に、臓器特異的な反応、疾患メカニズム、および薬物効果を研究することが可能になります。本記事では、OoCセットアップにおけるTEERの応用、マイクロ生理学的システムにおけるTEER測定の重要な側面、およびこの技術の潜在能力をOoCプラットフォームで完全に実現するために克服すべき課題と制限について探ります。
著者：Adrienne L. Watson, PhD、WPI最高科学責任者
OoCプラットフォームにおけるTEERの応用
製造品質管理（QC）
TEER測定は、実験前にOoCシステムの基準パラメータを確立するためによく利用されます。製造の各段階でTEER値を定期的に監視することで、複数のOoCデバイスにわたる細胞バリア特性の一貫性と再現性を評価できます。TEERは、OoCセットアップ内の膜の多孔性を測定でき、播種された細胞が成熟したバリアを形成し、試験準備が整った時期を判断することも可能です。OoCの応用が拡大し標準化されるにつれて、製造プロセスにQCを導入する重要性はさらに高まり、TEERはOoCシステムが正しく製造され、仕様を満たしていることを保証する簡便でコスト効果の高い方法となります。
バリア機能の評価
TEER測定は、OoCモデルにおける上皮および内皮細胞層のバリア特性を評価するために広く使用されています。TEER値の時間的変化を監視することで、細胞接合部の密着度、バリアの透過性、および組織構造の完全性を評価できます。TEER測定は、臓器特異的なOoCプラットフォームにおける薬物輸送、免疫応答、疾患進行の研究に不可欠です。
薬物透過性研究
TEER測定は、血液脳関門、腸上皮、肺胞上皮などの上皮および内皮バリアを越えた薬物透過性の研究に役立ちます。TEER値の変化は、バリア機能の変化、薬物輸送メカニズム、および薬理学的試薬に対する細胞応答の変化を示すことがあります。TEER測定は、OoCモデルにおける薬物の吸収、分布、代謝、排泄に関する定量的データを提供し、薬物スクリーニングや毒性試験を可能にします。
疾患モデル化および病態生理学
TEER測定により、OoCモデルにおける疾患状態、病理学的変化、および炎症反応に関連するバリア組織の変化を監視できます。リアルタイムでTEER値を監視することで、炎症、感染、組織損傷などの疾患特異的条件をシミュレートし、疾患メカニズムや治療介入を研究できます。TEER測定は、臓器特異的なOoCプラットフォームにおける疾患進行、組織再構築、および薬効に関する洞察を提供します。
OoCプラットフォームにおけるTEER測定の重要な側面
電極構成
OoCプラットフォームでのTEER測定は、通常、細胞層に小さな電流を流し、その抵抗を測定するチョップスティック型電極構成を用いて行われます。これらのチョップスティック電極は手持ち式のデバイスで、任意の時点でOoCに挿入してTEERを測定します。このTEER測定セットアップは、測定間隔が広く（数日から数週間）設定されているシステムに適しており、手動ながら高スループットの測定を可能にします。各OoCは設計が異なりますが、チョップスティック電極でTEER測定を行うために最適化すべきパラメータは、電極間の距離と電極がチップに挿入される深さの2つだけです。これらのパラメータが決まれば、多くのOoCシステムでTEERを測定できるカスタマイズされたチョップスティックを作成できます。これらは再利用可能な電極であるため、コストも低く抑えられます。
リアルタイムモニタリング
TEER測定は、インピーダンス分光法やOoCシステム内に埋め込まれた電極を用いた測定技術により、リアルタイムで実施可能です。TEER値のリアルタイムモニタリングにより、バリア機能の動的変化、細胞応答、および薬物効果を評価できます。連続的なTEER測定は、臓器特異的モデルにおける細胞の挙動、組織の完全性、および薬物相互作用に関する貴重な時間的データを提供します。TEERを連続的かつリアルタイムで測定するシステムでは、OoCシステムの形状、マイクロ流体層の位置、細胞チャンバーの配置に応じて埋め込み電極システムを高度にカスタマイズする必要があります。これらの埋め込み電極は通常、金やプラチナで作られ、チップ上での長期かつ連続的な測定を可能にします。電極材料、電極のサイズと形状、ガラスへの金属電極の堆積技術などのパラメータは、各OoCに合わせて最適化されなければなりません。
OoCプラットフォームにおけるTEER技術の課題と制限
カスタマイズ性
各OoCシステムは独自に設計されているため、TEERの種類（チョップスティック型か埋め込み型か）もシステムごとに異なり、最適なTEER測定を提供するために電極の設計もカスタマイズが必要です。多くの主要パラメータは確立されていますが、各OoCはTEER測定の再現性と信頼性を確保するためにテストと検証が必要です。
変動性と感度
OoCプラットフォームでのTEER測定は、実験条件、細胞種、培養環境に対して変動性や感度を示すことがあります。温度変動、培地組成、電極の位置などの要因がTEER値に影響を与え、測定誤差を生じさせる可能性があります。TEER測定プロトコルの標準化と品質管理は、変動性を最小限に抑え、OoCプラットフォームでの再現性を確保するために不可欠です。
単一細胞解析
OoCモデルでのTEER測定は細胞層全体の抵抗値を提供するため、単一細胞解析や細胞集団内の異質性評価には限界があります。空間的に分解能の高いTEER測定や個々の細胞応答の特性評価は、複雑な組織モデルにおける細胞間相互作用、バリア特性、および薬物応答の理解を深めることができます。
長期安定性
OoCプラットフォームでのTEER測定は、長期間の培養に伴い抵抗値が変化することがあり、長期研究から得られるデータの信頼性と一貫性に影響を与える可能性があります。細胞の生存性、バリア機能、および組織の完全性を維持することは、TEER測定の長期安定性と臓器特異的プラットフォームにおける実験結果の関連性を確保するために重要です。
結論として、TEER測定はOoCプラットフォームにおけるバリア機能、薬物透過性、および組織の完全性を評価するための貴重なツールです。TEER値をリアルタイムで監視することで、研究者は制御されたマイクロ環境内で臓器特異的な反応、疾患メカニズム、および薬物効果を研究できます。応用と利点がある一方で、TEER技術は変動性、感度、単一細胞解析、長期安定性に関連する制限に直面しており、これらは積極的に対処されています。これらの課題に取り組み、OoC研究におけるTEER測定技術を進歩させることで、薬物開発、疾患モデル化、個別化医療応用のためのin vitroモデルの信頼性、再現性、および予測価値を高めることができます。
参考文献
1. Kim, H. et al. (2020). "Evaluation of barrier function in lung-on-chip platform using transepithelial electrical resistance measurement." Lab on a Chip, 20(9), 1565-1576.
2. Zhang, B. et al. (2019). "Transepithelial electrical resistance measurement in organ-on-chip platforms for drug permeability studies." Advanced Drug Delivery Reviews, 149, 65-80.
3. Maschmeyer, I. et al. (2015). "A four-organ-chip for interconnected long-term co-culture of human intestine, liver, skin and kidney equivalents." Lab on a Chip, 15(12), 2688-2699.
