腫瘍組織の内部および周囲には新生血管のネットワークが形成され，それが腫瘍の増殖や転移に関わることが知られている．生体内の実験はその個体差が大きいこと，腫瘍周囲の微小環境を人為的に制御出来ないことが問題として残されている．そこで培養細胞レベルで腫瘍特異的な微小環境を作り出すことが期待されるが，技術的な欠落から実現するに至っていない．本研究では人工的にがんの微小環境を再現する3次元培養装置を新たに開発することを目的とした．
初年度ではマイクロ流体デバイス内の酸素モニタリングを実現するための酸素センサポリマーフィルムを独自に開発した．従来はフィルム上に培養した細胞が酸素感受性ポルフィリン色素に接触する可能性があり，細胞毒性が懸念された．そこでポリスチレン微小粒子に色素Pd-Octaethylporphine (Pd-OEP) をドープし，その微粒子を生体適合性が高くかつ酸素透過性が高いpolydimethylsiloxane (PDMS) に包埋し，それをフィルム状に成形した新たな酸素センシングフィルムを作製した．測定感度と精度を示すS-Vプロットから，感度，精度ともに優れた酸素センサーであることが確認された．また酸素勾配を形成するマイクロ流体デバイスにこの酸素センシングフィルムを設置し，フィルム上に乳癌培養および腫瘍小片の移植を行い，酸素分圧測定を行った．その結果，細胞培養部分および腫瘍設置部分にて酸素分圧が低下し，それは細胞，腫瘍小片の呼吸による酸素消費であると考えられた．
以上から，作製した酸素センシングフィルムは生体に対し，低侵襲に酸素分圧を測定することが出来る酸素センサーとして有効であり，腫瘍細胞や腫瘍組織の機能解析へ応用されることが期待された．
It has been known that networks of new blood vessels are formed in and around the tumor tissue, which is involved in tumor growth and metastasis. Experiments in vivo have large individual differences, and it is difficult to control the microenvironment around the tumor. Therefore, it is expected to create tumor-specific microenvironment in cultured cells in vitro, but it has not been realized due to technical difficulties. In this study, we developed a new three-dimensional culture system that artificially reproduces the tumor microenvironment.
In this first year, we developed an oxygen sensor polymer film to realize oxygen monitoring in a microfluidic device. In the conventional method, there had been a concern that cells cultured on a film come in contact with a cytotoxic oxygen-sensitive porphyrin dye. Therefore, the oxygen sensitive dye Pd-Octaethylporphine (Pd-OEP) was doped into polystyrene microparticles, and then they were embedded in polybioldimethylsiloxane (PDMS) with high biocompatibility and high oxygen permeability, and it was formed into a film. The S-V plot showing the measurement sensitivity and accuracy indicated that the oxygen sensor is excellent in both sensitivity and accuracy. An oxygen sensing film was placed on a microfluidic device that forms an oxygen gradient, and breast cancer cell culture and tumor tissue pieces were transplanted on the film. As a result, the partial pressure of oxygen decreased in parts of cultured cells and tumor tissue, which was considered to be due to the oxygen consumption of cells. From the above, it is clear that the developed oxygen sensing film can measure oxygen partial pressure with low invasiveness. This method is expected to be applied to analysis of cultured cells and tumor tissues.