腫瘍内の血管は不規則に分岐や蛇行を繰り返し部分的には逆流を呈するため，腫瘍組織は局所的に著しい低酸素状態になっている．この低酸素は腫瘍の増殖や血管新生に深く関与していることが知られている．同様に，腫瘍血管から供給されるグルコースや血管および腫瘍細胞に発現する腫瘍成長に関連するVEGFなどのタンパク質は腫瘍内で不均一に分布する．これらのガス・低分子勾配を形成する簡易な実験装置は一般的ではない．本年度は両者を同時に形成するマイクロ流体デバイスを数値シミュレーションおよび試作機を用いて実計測した．
ガス供給マイクロ流路および細胞培養層を型取った金属モールドを作製し，PDMS (Polydimethylsiloxane) を流し入れ80℃で加熱することで作製した．培養層に形成される酸素勾配はポルフィリン色素を含んだ酸素センシングフィルムを用いて酸素分圧値を実測し酸素勾配が形成されていることを実証した．細胞培養層には2本の培地入力チャネルを設け，それぞれから濃度の異なる分子を流入させることで化学勾配が形成される．試験的に蛍光色素を片方の流路から培養層に灌流させた結果，化学勾配が形成されていることを実証した．これらの設計を有限要素法を基にしたCOMSOLで数値シミュレーションし，酸素・化学勾配を自在に変更させることが可能であることを示した．
以上の結果から，酸素・化学勾配を同時に形成させる新たなマイクロ流体デバイスを提案し，実測と数値シミュレーションからその有効性を実証した．
Vessels in tumors branch and meander irregularly, and in some cases exhibit regurgitation, resulting in heterogeneous hypoxia in tumor tissues. It is generally known that this hypoxia is deeply involved in tumor growth and angiogenesis. Similarly, glucose supplied by tumor blood vessels and proteins such as VEGF related to tumor growth expressed in blood vessels and tumor cells are heterogeneously distributed in the tumor. Simple experimental devices to form gradients of these gases and small molecules are not common. In this year, we performed theoretical simulations and prototype experiments of microfluidic devices that can form both gradients simultaneously.
A metal mold was fabricated to mold the microfluidic channels for gas supply and the cell culture layer. PDMS (Polydimethylsiloxane) was poured into the mold and then heated to form the microfluidic device. An oxygen sensing film containing porphyrin dye was placed in the culture layer, and the oxygen gradient formed in the culture layer was measured using an originally developed oxygen partial pressure measurement device. Two input channels were installed in the cell culture layer, and the chemical gradient was formed by the influx of molecules of different concentrations from each channel. The chemical gradient was observed when a fluorescent dye was flowed into the culture layer from one of the channels. These gradients were simulated by COMSOL, which is based on the finite element method, and it was shown that the oxygen and chemical gradients can be freely controlled.
Based on these results, we proposed a new microfluidic device that simultaneously forms oxygen and chemical gradients, and demonstrated its effectiveness through measurements and simulations.