脳組織・オルガノイド力学の評価に

2 日前
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CellScale社 MicroTester

脳組織、脳オルガノイド、スフェロイド、ハイドロゲル、人工マイクロ組織などの研究では、細胞や組織が置かれている「力学的環境」を定量的に理解することが重要です。

近年、脳の発生、疾患モデル、メカノトランスダクション、再生医療、薬剤応答評価などの分野では、細胞の遺伝子発現や形態観察だけでなく、サンプルそのものの硬さ、粘弾性、応力緩和、刺激培養後の力学変化を評価するニーズが高まっています。

CellScale社のMicroTesterは、微小で柔らかい生体サンプルの力学特性を評価するために設計されたマイクロスケール力学測定装置です。従来の大型材料試験機では扱いにくい微小組織や3D培養モデルに対して、圧縮、圧入、粘弾性測定、時間依存的な力学応答の解析を行うことができます。

オレンジサイエンスでは、脳組織、脳オルガノイド、3D細胞培養、スフェロイド、ハイドロゲル、組織工学用足場材などの研究用途に向けて、CellScale社MicroTesterをご提案しています。

MicroTester

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脳組織研究における「力学特性」の重要性

脳は非常に柔らかく、部位ごとに構造や細胞組成が異なる複雑な組織です。そのため、白質、灰白質、灰白質・白質境界、橋、小脳、脊髄など、部位ごとの力学特性を評価することは、神経発生、脳疾患、損傷モデル、腫瘍周辺環境、メカノバイオロジー研究において重要な視点となります。

たとえば、脳組織の硬さや粘弾性は、以下のような研究テーマと関係します。

脳組織の部位差による力学特性の違い
神経細胞、グリア細胞、細胞外マトリックスと力学環境の関係
Piezo1、Piezo2、TMEM150Cなどのメカノセンサー発現
YAP、β-cateninなどのメカノトランスダクション経路
脳オルガノイドの成熟度、形態形成、疾患モデル化
刺激培養や薬剤処理による3D培養モデルの力学変化

MicroTesterを使用することで、こうした生体サンプルの力学的な違いを、圧縮試験や圧入試験、応力緩和試験などを通じて定量化できます。

MicroTesterで測定できること

CellScale社MicroTesterは、微小・軟質サンプルに対して、以下のような力学評価に対応します。

圧縮試験

脳組織、脳オルガノイド、スフェロイド、ハイドロゲル、マイクロ組織などを、プレートやカンチレバーで圧縮し、荷重と変位の関係を取得します。

圧縮試験により、サンプルの硬さ、変形しやすさ、処理条件ごとの差、培養期間による変化などを比較できます。

圧入・インデンテーション試験

球状または微小な圧子を用いて、サンプル表面や局所領域の力学特性を評価します。

脳組織やオルガノイドのように不均一性を持つサンプルでは、局所的な硬さや部位差を把握するために有用です。

粘弾性測定

生体組織や3D培養モデルは、単純な弾性体ではなく、時間に依存して応力が緩和する粘弾性材料として振る舞います。

MicroTesterでは、一定ひずみで保持する応力緩和試験や、段階的な圧縮プロトコルにより、サンプルの時間依存的な力学応答を評価できます。

刺激培養後の力学評価

機械刺激、圧縮刺激、伸展刺激、薬剤処理、培養条件の変更などを行った後、サンプルの硬さや粘弾性がどのように変化したかを評価できます。

MicroTester自体は、長期間の刺激培養を主目的とするバイオリアクターではありませんが、刺激培養後のサンプルを取り出して、力学特性を定量評価する用途に適しています。CellScale社のMechanoCultureシリーズと組み合わせることで、刺激培養と力学評価を連続した研究ワークフローとして設計することも可能です。

対象サンプル例

MicroTesterは、以下のような微小・軟質サンプルの評価に適しています。

ヒト・動物由来の脳組織切片
白質、灰白質、灰白質・白質境界などの脳部位別サンプル
脳オルガノイド
神経系オルガノイド
細胞スフェロイド
3D細胞凝集体
ハイドロゲル
ECMゲル
組織工学用足場材
細胞封入ゲル
人工マイクロ組織
疾患モデル用3D培養サンプル

サンプルの形状、サイズ、柔らかさ、測定目的に応じて、圧縮、圧入、粘弾性測定などの方法を検討できます。

脳オルガノイド・3D培養モデルの力学評価に

脳オルガノイドは、ヒト脳の発生、疾患、薬剤応答をin vitroで研究するための重要なモデルとして活用されています。一方で、オルガノイドは単なる細胞塊ではなく、成長、成熟、細胞外マトリックス、内部構造、培養条件によって力学特性が変化する3D組織モデルでもあります。

そのため、脳オルガノイド研究では、以下のような評価が重要になります。

培養日数による硬さの変化
疾患モデルと正常モデルの力学差
薬剤処理による剛性・粘弾性の変化
ECMやハイドロゲル条件による力学環境の違い
刺激培養後の組織成熟度の比較
形態形成と力学特性の関係

MicroTesterは、脳オルガノイドやスフェロイドのような微小3Dサンプルを対象に、サンプル全体または局所領域の力学応答を測定することができます。

参考研究：ヒト脳組織におけるMicroTesterの活用例

ヒト脳組織を対象とした研究では、CellScale社MicroTesterを用いて、白質、灰白質・白質境界、橋などの脳部位ごとの圧縮特性や粘弾性特性が評価されています。

この研究では、ヒト脳組織サンプルに対して準静的圧縮試験や段階的な圧縮試験を行い、Young率、応力緩和、平衡応力などの力学パラメータを取得しています。さらに、Piezo1、Piezo2、TMEM150Cなどのメカノセンサー発現や、YAP/β-catenin軸との関連も解析されています。

https://link.springer.com/article/10.1186/s13041-023-01071-5

このような研究は、脳組織の力学特性が単なる物理的な情報ではなく、細胞内シグナルやメカノトランスダクションと関連する重要な研究指標であることを示しています。

MicroTesterは、脳組織・神経組織・3D培養モデルの力学特性を定量化し、生物学的評価と組み合わせるための有用な測定プラットフォームです。

MicroTesterが選ばれる理由

微小・軟質サンプルに対応

脳組織やオルガノイドは非常に柔らかく、サンプルサイズも小さいため、一般的な材料試験機では測定が難しい場合があります。MicroTesterは、微小サンプル向けに設計されており、低荷重領域での測定に適しています。

画像を確認しながら測定可能

微小サンプルの測定では、圧子やプレートがどの位置に接触しているか、サンプルがどのように変形しているかを確認することが重要です。MicroTesterは光学系を備えており、測定中のサンプル状態を視覚的に確認できます。

液中・温度管理下での測定に対応

生体組織や3D培養サンプルは、乾燥や温度変化によって力学特性が変化します。MicroTesterは、液中での測定や温度管理下での測定にも対応しており、生理的条件に近い状態での評価を検討できます。

圧縮・圧入・粘弾性評価に対応

単純な硬さの比較だけでなく、応力緩和や時間依存的な力学応答を評価できるため、脳組織やオルガノイドのような粘弾性サンプルの研究に適しています。

生物学的データと組み合わせやすい

MicroTesterで取得した力学データは、免疫染色、遺伝子発現解析、タンパク質解析、画像解析、薬剤応答評価などと組み合わせることで、サンプルの物理特性と生物学的応答の関係を解析できます。

こんな研究におすすめです

脳組織の硬さや粘弾性を評価したい
脳オルガノイドの成熟度や疾患モデルの違いを力学的に比較したい
スフェロイドや3D培養サンプルの圧縮特性を測定したい
刺激培養後のサンプルの力学変化を評価したい
薬剤処理や培養条件によるオルガノイド力学の変化を調べたい
Piezo1、Piezo2、YAP、β-cateninなどのメカノトランスダクション研究に力学測定を組み込みたい
微小サンプルを液中で測定したい
従来の材料試験機では測定が難しい柔らかいサンプルを扱っている

刺激培養と力学評価を組み合わせた研究にも

細胞や組織は、培養中に受ける力学刺激によって、形態、分化、成熟、細胞外マトリックス形成、遺伝子発現などが変化することがあります。

そのため、刺激培養を行う研究では、刺激を与えたかどうかだけでなく、刺激後のサンプルがどのような力学特性を示すのかを定量的に評価することが重要です。

MicroTesterは、刺激培養後の脳オルガノイド、スフェロイド、ハイドロゲル、組織工学用足場材などに対して、圧縮、圧入、粘弾性測定を行い、刺激条件ごとの力学的な違いを比較する用途に適しています。

長期の機械刺激培養そのものを行いたい場合は、CellScale社のMechanoCultureシリーズとの組み合わせもご相談いただけます。研究目的、サンプル形状、刺激モード、培養期間に応じて、適した装置構成をご提案します。

よくある質問

MicroTesterは脳組織の測定に使えますか？

はい。MicroTesterは、微小で柔らかい生体サンプルの圧縮・圧入・粘弾性測定に適しており、脳組織のような軟質組織の力学評価にも使用されています。サンプルの部位、サイズ、形状、測定目的に応じて、適切な測定条件を検討します。

脳オルガノイドの力学評価にも対応できますか？

はい。脳オルガノイド、神経系オルガノイド、スフェロイド、3D細胞凝集体など、微小な3D培養モデルの力学評価に適しています。培養日数、疾患モデル、薬剤処理、刺激培養条件による違いを比較する用途で活用できます。

液中で測定できますか？

はい。生体サンプルやハイドロゲル、オルガノイドなどは乾燥や温度変化の影響を受けやすいため、液中での測定や温度管理下での測定が重要になる場合があります。MicroTesterでは、サンプル条件に応じて液中測定を検討できます。

刺激培養もMicroTesterで行えますか？

MicroTesterは主に微小サンプルの力学測定を目的とした装置です。長期間の刺激培養を主目的とする場合は、CellScale社のMechanoCultureシリーズが適しています。MicroTesterは、刺激培養後のサンプルの硬さや粘弾性を評価する装置として組み合わせて使用できます。

測定前にサンプル条件の相談はできますか？

はい。サンプルの種類、サイズ、形状、培地条件、測定したい力学パラメータ、想定している刺激培養条件などをお知らせいただければ、適した測定方法や装置構成をご提案します。

お問い合わせ

脳組織、脳オルガノイド、スフェロイド、ハイドロゲル、刺激培養後サンプルの力学評価をご検討中の方は、オレンジサイエンスまでお気軽にお問い合わせください。

サンプルの種類、サイズ、培養条件、測定したい項目をお知らせいただければ、CellScale社MicroTesterを用いた測定方法や、MechanoCultureシリーズとの組み合わせなど、研究目的に合わせて、最適な測定方法をご提案します。

MicroTester

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CellScale社製品のご紹介

MicroTester

マイクロスケール圧縮強度測定装置

MicroTesterはマイクロスケール生体サンプルや微粒子の粘弾性測定に特化した粘弾性測定装置です。

1㎜以下径のビーム（カンチレバー）とプレートで直接サンプルに接触して、非破壊で約0.005~500µNの粘弾性試験が可能です。生体サンプルの試験に特化し工業用の試験機では実現できないコンパクトさ、試験レンジを実現し、精度の高い試験・解析が可能となりました。チャンバー前方に取り付けられた高解像度カメラにより、サンプルの変位の画像解析も可能です。