24ウェルプレート形式のコンパートメント化されたマイクロ流体デバイスでのヒト神経筋組織オンチップモデルの開発

神経筋組織の設計された3次元モデルは、in vitroで障害状態を模倣するのに使用することを約束しています。いくつかのモデルが開発されていますが、in vivoのモーターユニットの運動ニューロン（MNS）と骨格筋（SKM）繊維の物理的に分離された構造を模倣することは依然として困難です。この研究では、MNSおよび設計されたSKM組織の正確に区画化された共培養のためのマイクロデバイスを開発することを目指しました。24のウェルプレートの井戸に適合する開発されたマイクロデバイスには、MNS用のチャンバーとSKM組織用のチャンバーがありました。2つのチャンバーは、軸索のためにマイクロトゥンネルで接続されており、軸索に許容しますが、細胞体には許容されませんでした。1つのチャンバー内のヒトIPSC（HIPSC）由来のMNスフェロイドは、軸索をマイクロチャンバーに伸びさせ、SKMチャンバーの組織で設計したヒトSKMに到達し、筋肉繊維との機能的な神経筋接合部を形成しました。デバイス上のMNSを備えた共培養されたSKM組織は、MNSの自発発火に応じて自発的に収縮しました。神経伝達物質であるグルタミン酸をMNチャンバーに添加すると、共培養されたSKM組織の収縮が誘発されました。テトロドトキシンまたは臭化ヴェクロニウムの選択的添加は、抑制メカニズムによって説明できます。また、デバイス上の共培養組織の軸索の中央に化学または機械的刺激を適用することも実証しました。したがって、デバイスに製造された区画化された神経筋組織モデルを表現型スクリーニングに使用して、薬物候補の細胞型特異的有効性を評価することができ、神経筋障害の基本的な研究および医薬品開発における有用なツールになります。

Engineered three-dimensional models of neuromuscular tissues are promising for use in mimicking their disorder states in vitro. Although several models have been developed, it is still challenging to mimic the physically separated structures of motor neurons (MNs) and skeletal muscle (SkM) fibers in the motor units in vivo. In this study, we aimed to develop microdevices for precisely compartmentalized coculturing of MNs and engineered SkM tissues. The developed microdevices, which fit a well of 24 well plates, had a chamber for MNs and chamber for SkM tissues. The two chambers were connected by microtunnels for axons, permissive to axons but not to cell bodies. Human iPSC (hiPSC)-derived MN spheroids in one chamber elongated their axons into microtunnels, which reached the tissue-engineered human SkM in the SkM chamber, and formed functional neuromuscular junctions with the muscle fibers. The cocultured SkM tissues with MNs on the device contracted spontaneously in response to spontaneous firing of MNs. The addition of a neurotransmitter, glutamate, into the MN chamber induced contraction of the cocultured SkM tissues. Selective addition of tetrodotoxin or vecuronium bromide into either chamber induced SkM tissue relaxation, which could be explained by the inhibitory mechanisms. We also demonstrated the application of chemical or mechanical stimuli to the middle of the axons of cocultured tissues on the device. Thus, compartmentalized neuromuscular tissue models fabricated on the device could be used for phenotypic screening to evaluate the cellular type specific efficacy of drug candidates and would be a useful tool in fundamental research and drug development for neuromuscular disorders.