JP2020058358A - 低剪断マイクロ流体デバイスならびにその使用および製造の方法 - Google Patents

低剪断マイクロ流体デバイスならびにその使用および製造の方法 Download PDF

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Abstract

【課題】インビトロまたはインビボで用いることができる臓器模倣デバイスを提供する方法、及びデバイス。【解決手段】方法であって、１）マイクロ流体デバイスを提供することであって、前記マイクロ流体デバイスが、ａ．その中に主チャネルを含むボディ、および、ｂ．前記主チャネル内において位置する少なくとも部分的に多孔質の膜であって、前記膜が、前記主チャネルを区分して少なくとも１つのマイクロチャネルと少なくとも１つのメソチャネルとを形成するように構成され、前記少なくとも１つのメソチャネルの前記少なくとも１つのマイクロチャネルに対する高さの比が、約１．１：１〜約５０：１の範囲である膜、を含むことと、２）前記膜上に細胞を播種することと、３）前記膜上で前記細胞を培養することと、を含む方法。【選択図】図１

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、２０１３年１２月２０日出願の米国仮出願第６１／９１９，１９３号の米国特許法第１１９条（ｅ）の下での利益を主張し、その内容はそれらの全体が参照によって本明細書に組み込まれる。
（政府の援助）
本発明は、ＤＡＲＰＡによって授与された助成金第Ｗ９１１ＮＦ−１２−２−００３６号の下で政府の援助によってなされた。政府は本発明に一定の権利を有する。
本開示は、一般的に、マイクロ流体デバイスならびにその使用および製造の方法に関する。一部の実施形態において、マイクロ流体デバイスは哺乳類細胞、昆虫細胞、植物細胞、および微生物細胞などの生細胞の培養および／または支持のために用いられ得る。
機械的な力（押し、引張り、張力、圧縮）は、細胞発生および挙動の重要な制御因子である。テンセグリティ（tensegrity）は、どのようにそれらの物理的な力が細胞または組織内に分布するのか、およびどのように且つどこでそれらがそれらの影響を発揮するのかを決定する構造を提供する。
人体内において、ほとんどの細胞は張力または圧縮などの機械的な力に不断にさらされている。培養中の細胞への機械的歪みの加えはインビボ環境をシミュレーションして、劇的な形態学的変化および生体力学的応答を細胞に引き起こす。細胞が培養中に機械的に負荷されるときには、長期的および短期的な変化両方、例えばＤＮＡまたはＲＮＡ合成または分解の速度および量、蛋白質発現および分泌、細胞分裂および整列の速度の変改、エネルギ代謝の変化、高分子合成または分解の速度の変化、ならびに生物化学および生体エネルギ学の他の変化が起こる。
あらゆる細胞は内部の足場または細胞骨格（分子の「支柱およびワイヤ」から形成される格子）を有する。「ワイヤ」は微細なケーブル（マイクロフィラメントとして公知）の張り巡らされたネットワークであり、それらは細胞膜から核まで引き伸ばされており、内向きの引張りを発揮する。引張りには微小管（細胞骨格のより太い圧縮に耐える「支柱」）と細胞外マトリックス（細胞の群を一つにまとめている繊維質物質）に細胞を繋留する細胞の外膜上の特化した受容体分子とが反対する。力のこのバランスはテンセグリティのホールマーク（hallmark）である。
組織は、細胞外マトリックスの「エッグカートン（egg carton）」上に乗っている卵のような細胞の群から組み立てられている。マトリックスに細胞を繋留する受容体分子はインテグリンとして公知であり、より広い世界に細胞を接続する。組織上への機械的な力は最初にそれらの繋留点においてインテグリンによって感じ取られ、それから各細胞内の深い領域まで細胞骨格によって運ばれる。細胞内において、力は蛋白質分子の形状を振動もしくは変化させて生物化学的反応を誘発するか、または核内の染色体を引っぱって遺伝子を活性化し得る。
細胞は、細胞骨格フィラメントの不断の引張りゆえに、丁度筋肉のように「トーン」を有するともまた言われ得る。まさに、その長さ上の異なる点に力が加えられたときに、引き伸ばされたバイオリン弦が異なる音を生ずるように、細胞は、どのくらいそれがひずんでいるかに依存して化学シグナルを異なって処理する。
一成長因子は、どのくらい細胞が引き伸ばされるかに依存して異なる効果を有するであろう。創傷の表面のもののように、引き伸ばされて平たくなった細胞は育って増える傾向があり、一方で、過度に混み合った条件によって締めつけられた丸くなった細胞は「自殺」プログラムのスイッチを入れ、死ぬ。対照的に、引き伸ばされも引き戻されもしない細胞はそれらの意図される機能を続行する。
細胞のテンセグリティの別の教義は、物理的な場所が大事だということである。制御分子が細胞内を自由に浮遊するときには、それらの活性は、全体としては細胞に作用する機械的な力によってほとんど影響されない。しかし、制御分子が細胞骨格に取り付いたときには、それらはより大きいネットワークの一部となり、細胞の意思決定に影響を及ぼす立場にある。多くの制御およびシグナル伝達分子が、細胞の表面膜の細胞骨格上で、接着部位として公知のスポットに繋留されており、そこにインテグリンがかたまっている。これらの一等地はコンピュータネットワーク上のノードのような要のシグナル処理センタであり、そこでは隣り合う分子が外界からの機械的な情報を受容し、シグナルを交換し得る。
それゆえに、薬物、薬物送達基剤、ナノ診断もしくは治療、または環境ストレッサ、例えば粒子、気体、および毒素の詳しい効果を生理的な環境において評価することは、細胞−細胞および細胞−ケミカル相互作用の研究のみならず、どのようにそれらの相互作用が健常組織および疾患に罹患した組織両方において生理的な機械的な力によって影響されるかの研究をもまた要求する。
培養中の細胞の機械的環境または応答を変改する方法は、単層を擦ることによって細胞を傷つけること、磁場もしくは電場を加えること、または静的もしくは周期的な張力もしくは圧縮をねじデバイス、液圧、もしくは重量によって直接的に培養細胞に加えることを包含して来た。流体の流れに細胞をさらすことによって、剪断ストレスもまた誘導されている。しかしながら、それらの手順のわずかしか、加えられた歪みの定量化を許すか、または生理的に意味のある組織−組織相互作用を維持する培養微小環境内において周期的な変形の幅広い再現性のある範囲を達成するための制御を提供しなかった。
生体の臓器は３次元の脈管化した構造であり、２つ以上の密接した組織からなり、それらは集合的に機能し、流体剪断および機械的歪みなどの動的な機械的な力の存在下において組織−組織界面を越えて物質、細胞、および情報を輸送する。それらの生理的な組織−組織界面を再現し且つ流体の流れおよび動的な機械的ひずみを許す生細胞を含有するマイクロデバイスの創出は、複雑な臓器機能（例えば、免疫細胞トラフィッキング、栄養吸収、感染、酸素および二酸化炭素の交換など）の研究ならびに薬物スクリーニング、毒性学、診断法、および治療学にとって大きな価値を有するであろう。
大きなチャレンジは、肺の肺胞−毛細血管ユニット（これは、正常では各呼吸サイクルの間に反復的な膨張および収縮をする）の要の構造組織化、生理機能、および生理的または病理的な機械的活性を見せる多細胞および多組織臓器様構造のアセンブリを促進し得る実験ツールの不足に在る。この臓器レベルの構造を再生し、その生理的な機械的微小環境をインビトロで再現することが可能である場合には、この欠点は克服され得る。しかしながら、これは完全に達成されてはいない。
国際特許出願公開第ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０５０８３０号パンフレット 国際特許出願公開第ＰＣＴ／ＵＳ２０１２／０２６９３４号パンフレット
必要とされているものは、インビトロまたはインビボで用いられることができる臓器模倣デバイスであり、これは組織−組織関連機能を果たし、化学的のみならず機械的な力にもまた応答して細胞がデバイス内で自然に組織化することをもまた許し、組織−組織生理を模倣する膜をとおしての細胞挙動の研究を許す。
既存のトランスウェルテクノロジは、ヒト細胞を育て、分化させるために広く用いられて来た。本発明は、とりわけ、マイクロ流体環境におけるヒト細胞の成長および分化のためのプラットホームおよび方法を対象とする。以前に開発された臓器チップデバイスは国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０５０８３０およびＰＣＴ／ＵＳ２０１２／０２６９３４号に記載されており、これらはそれらの全体が参照によって本明細書に組み込まれる。本発明の１つの実施形態によれば、マイクロ流体デバイスは、約１ｍｍのチャネル高さを有する上側メソチャネルと約１００μｍのチャネル高さを有する下側マイクロチャネルとを包含し得る。デバイス内の上側チャネルの少なくとも或る長さ部分（例えば、細胞が育って重層／偽重層または３次元構造を形成することを望まれる長さ部分）の高さを増大させることによって、デバイスは、低剪断および／または重層、偽重層、もしくは３次元組織構造を形成するためのより多くの空間を要求する細胞の成長のための低減されたストレス環境および増大した頭上空間を、上側チャネルの少なくとも或る長さ部分に提供し得る。１つの実施形態においては、気道上皮細胞（例えば、細気道および／または大気道上皮細胞）がメソチャネルに面する膜の表面上で培養され得、分化して最終分化した繊毛および粘液（mucous）分泌（杯）細胞になり得る。より高い上側チャネル内において培養されることが望まれる他の細胞は、心臓細胞、消化管細胞／腸細胞、肝臓細胞、皮膚細胞、および腎臓細胞（例えば、糸球体細胞）を包含するが、これに限定されない。例えば、腸上皮細胞が、メソチャネルに面する膜の表面上で培養され、３次元腸絨毛を形成し得る。一部の実施形態において、動物細胞、昆虫細胞、および植物細胞もまた本明細書に記載されるデバイスに用いられ得る。
システムおよび方法は、１つ以上の膜によって区分された主チャネルを有するボディを含む。膜は、主チャネルを分割して２つ以上の密接した平行な主サブチャネル（メソチャネルおよびマイクロチャネル）にし、１つ以上の第１の流体（例えば、気体状または液体状流体）が少なくとも１つのメソチャネルをとおして加えられ得、１つ以上の第２の流体（例えば、液体状流体）が１つ以上のマイクロチャネルをとおして加えられ得る。各膜の表面は細胞接着分子によって処理または別様にコーティングされて、各膜の上側および／または下側表面上において細胞の取り付きを支持および／または組織へのそれらの組織化を促進し、それによって、隣接する平行な流体チャネル間の１つ以上の膜によって分離された１つ以上の組織−組織界面を作り出し得る。膜は多孔質（例えば、透過性または選択的に透過性）、非多孔質（例えば、非透過性）、リジッド、フレキシブル、弾性、またはそのいずれかの組み合わせであり得る。一部の実施形態において、膜は多孔質であり得、例えば、流体（例えば、気体および／または液体）の交換／輸送、栄養、サイトカイン、および／もしくはケモカインなどの分子の通過、細胞トランスマイグレーション、またはそのいずれかの組み合わせを許す。一部の実施形態において、膜は非多孔質であり得る。流体圧力、流れ特徴、およびチャネル幾何形状が変えられて、１つのまたは両方の組織層に望まれる流体（例えば、空気および／または液体）剪断ストレスを加え得る。
一部の実施形態においては、生理的な微小環境（例えば気道）を模倣するために本明細書に記載されるデバイス内に空気−液体界面が確立され得、それゆえに、細胞がよりインビボの細胞のように振る舞う（例えば、気道上皮細胞から繊毛および／または粘液分泌細胞への分化が重層構造を形成する）ことを許す。一部の実施形態においては、気体流調節デバイスと係合するようにメソチャネルの１つの末端を適応させることによって、気体（例えば空気）の片方向または両方向の流れがメソチャネル内において誘導され得る。
一部の実施形態において、デバイスの膜は、その自然の微小環境において（例えば、呼吸、蠕動、および／または心臓鼓動の間に）細胞によって経験される生理的な歪みをシミュレーションする様式（例えば、引き伸ばし、引き戻し、圧縮、ねじり、および／または波打ち）で変形するように、調節または駆動され得る。操作用チャネルが主チャネルに隣接する一部の実施形態において、陽圧または陰圧が操作用チャネルに加えられ得、これは翻って圧力差を作り出し得、これは、膜が例えば圧力差に応答して選択的に引き伸ばして引き戻すことを引き起こし、それによって、さらに生体の組織−組織界面の機械的な力を生理的にシミュレーションする。例えば、一部の実施形態においては、増大した頭上空間およびより低い液体剪断ストレスのためのより高いメソチャネル内で腸細胞を培養することと、膜を周期的に引き伸ばして引き戻すことによって誘導される生理的な蠕動様運動に対する細胞の曝露との組み合わせが、ヒト腸細胞が３次元絨毛構造を形成することを誘導し得る。
一部の実施形態において、本明細書に記載されるデバイスは、２つ以上の異なる細胞型ｓが同じチャネル（例えば、メソチャネルまたはマイクロチャネル）内でおよび／または異なるチャネル内で培養されることを許し得る（例えば、少なくとも１つの細胞型がメソチャネル内、少なくとも１つの細胞型がマイクロチャネル内。または、第１の細胞型が第１のメソチャネル内、第２の細胞型が第２のメソチャネル内）。例えば、メソチャネルに面する膜の１つの側で組織特異的な上皮細胞が培養され得、一方で、マイクロチャネルに面する別の側では血管関連細胞が培養され得る。単に例として、一部の実施形態において、微生物細胞、例えば健常または有疾患微生物フローラがメソチャネル内において腸上皮細胞と培養されて、インビボの正常または有疾患腸の生理的な微小環境を模倣し得る。
一部の実施形態においては、マイクロチャネル内に存在する液体状流体に免疫細胞が添加され得る。マイクロチャネル内の液体状流体は静的であるか、またはマイクロチャネルをとおして連続的に、周期的に、および／もしくは間歇的に流れてあり得る。シミュレーションされた生理的な微小環境が本明細書に記載される因子またはサイトカインによって刺激されたときに、膜および／または組織特異的な細胞への免疫細胞のリクルートが決定されて、免疫応答の尺度を提供し得る。本明細書に記載されるデバイス内に免疫細胞を導入し、免疫細胞の応答（例えば、免疫細胞リクルート、成熟、活性化、殺細胞、および／または流入）を測定する能力は、より精密な組織特異的な疾患モデルの開発を許し、これは、（免疫不全である対象を除く）対象が疾患を患っているときにインビボで典型的に活性化されるような免疫応答を考慮に入れる。
本明細書に記載されるデバイスが生理的な微小環境および／または機能を要約する能力は、種々の応用（例えば、本明細書に記載される生理的エンドポイントに対応する細胞の生成、組織特異的な生理的条件（例えば正常および疾患状態だが、これに限定されない）のモデリング、空気媒介性病原体の伝播性の決定、粘膜免疫プラットホームの開発、治療薬およびワクチンの同定、ならびにそのいずれかの組み合わせだが、これに限定されない）のための多目的なインビトロモデルを提供し得る。
一実施形態に従う例の臓器模倣デバイスを使用するシステムのブロックダイアグラムを例示する図である。 一実施形態に従う臓器模倣デバイスの透視像を例示する図である。 一実施形態に従う臓器模倣デバイスの分解像を例示する図である。 入口および出口ポートの異なる位置を有する臓器模倣デバイスの例示的な透視像である。上パネルは、入口および出口ポートが、本明細書に記載されるデバイスの一部分の上側表面上に位置するということを例示する図である。下側パネルは、入口および出口ポートが、本明細書に記載されるデバイスの一部分の横側に位置するということを例示する図である。 一実施形態に従うデバイスの細胞−細胞界面領域のダイアグラム像を例示する図である。 それぞれ一実施形態に従うデバイスの上側ボディ部分および下側ボディ部分の断面像を例示する図である。 それぞれ一実施形態に従うデバイスの上側ボディ部分および下側ボディ部分の断面像を例示する図である。 一実施形態に従うデバイスの断面像を例示する図である。 図２Ｄに記載されている実施形態に従うデバイスの上側像を例示する図である。 一実施形態に従うマイクロチャネルを含むデバイスの下側ボディ部分を作製するために用いられるフォトリソグラフィプロセスの模式図である。 一実施形態に従うメソチャネルを含むデバイスの上側ボディ部分を作製するために用いられるステレオリソグラフィプロセスの模式図である。 高いチャネルの「ウェーハ」のＣＡＤモデル（左パネル）およびステレオリソグラフィ熱可塑性再構築（右パネル）を示す一式の画像である。 一実施形態に従うデバイスの膜と上側および下側ボディ部分との間に流体シールを形成する異なる方法を例示する図である。図４Ａは、Aran et al. (2010)から取り入れられた３−アミノプロピル−トリエトキシシラン（ＡＰＴＥＳ）接合手順を例示する図である。 図４Ｂは、膜−ＰＤＭＳ表面積を利用するＰＤＭＳスラブ間の膜クランプを示す図である。 図４Ｃは、シールを形成するためのＰＤＭＳスラブ間におけるプラズマ接合による、ＰＤＭＳスラブの２個の間のシールされた膜を例示する図である。 一実施形態に従うデバイス内でヒト初代気道（または気管支）上皮細胞を分化させる例示的な方法、およびそれからもたらされる実験データを例示する図である。図５Ａは、一実施形態に従うデバイス内のヒト気管支上皮細胞を分化させるための例の方法を例示する模式的なダイアグラムである。初代細気道または気管支上皮細胞が上側のメソチャネル（「気道内腔」チャネル）内の膜上に播種された。それから、細胞が完全なコンフルエントに達するまで、メソチャネルおよびマイクロチャネル両方に静的なまたは流れる培養培地を導入することによって細胞は液面下条件で培養された。それから、その出口をとおしてメソチャネルから培養培地を取り除くことによって、空気−液体界面が確立された。初代気道上皮細胞は、空気−液体界面におけるデバイス内での培養の約３〜４週間の後に分化した。 図５Ｂは、多孔質膜によって下側マイクロチャネル（「血管」チャネル）から分離されたメソチャネル内で育てられた、ヒトの分化した気管支上皮のダイアグラム像である。 図５Ｃは、播種後および空気−液体界面（ＡＬＩ）がセットアップされた時点の細胞の形態を例示する図である。 図５Ｄは、膜上の初代細気道上皮の形成を示す一式の免疫蛍光画像である。タイトジャンクション蛋白質（例えば、ＴＪＰ−１および／またはＺＯ−１）が検出されて、形成した上皮によって形成された機能的なタイトジャンクションバリアを示した。 図５Ｅは、気道上皮細胞から繊毛細胞への分化を示す一式の免疫蛍光およびＳＥＭ画像である。 図５Ｆは、本明細書に記載されるデバイス内の分化した上皮初代細胞（繊毛：ベータ−チューブリンＩＶによって検出、粘液分泌：Ｍｕｃ５ＡＣによって検出）の３Ｄ像を示す図である。 図５Ｇは、本明細書に記載されるデバイスのメソチャネルの長さに沿って、繊毛細胞の代表的な画像を示す図である。空気−液体界面における培養の約３週間の後の豊富な繊毛振動の一様な分布は、インビボの上皮分化のホールマークである。 一実施形態に従うデバイス内およびトランスウェル内の初代ヒト細気道上皮細胞の培養を対象とする細胞生存率データを示す図である。図６Ａは棒グラフであり、（細気道を模倣するために）マイクロ流体デバイス内で初代ヒト細気道上皮細胞を培養することの細胞毒性データ（細胞からのＬＤＨ放出に基づく）を、トランスウェル内で培養された細胞と比較している。 図６Ｂは、本明細書に記載されるデバイス内で健全な上皮を形成している健常細気道上皮細胞を示す顕微鏡画像である。 一実施形態に従うデバイスのメソチャネル内におけるヒト気管支上皮細胞の分化を示す実験データを示す図である。図７Ａは、メソチャネル内で約４週間育てられたヒト気管支上皮細胞がインビボのヒト気管支上皮の典型的な分化マーカを見せたということを示す一式の蛍光画像である。ベータ−チューブリンは、繊毛細胞を検出するためのマーカとして用いられ得る（上側の左パネル）。直交断面図（下側のパネル）は、インビボで観察される通り繊毛が培養物の頂端側に局在しているということを示す。右パネルは上皮の３Ｄ再構築を示す画像である。 図７Ｂは一式の蛍光（左パネル）およびＳＥＭ（右パネル）画像であり、本明細書に記載されるデバイスのメソチャネル内のヒト気管支上皮細胞培養物が、空気−液体界面における培養の約３週間の後に繊毛および杯細胞を見せるということを示している。ＳＥＭ画像は完全に形成された繊毛を示している。 図７Ｃは、一実施形態に従うデバイスのメソチャネル内で培養された分化したヒト気管支細胞間に形成されたタイトジャンクションの存在（ＺＯ−１およびファロイジン染色によって示されている）を示す一式の蛍光画像である。 図７Ｄは、本明細書に記載されるデバイスのメソチャネル内に形成された分化した上皮のバリア機能を示すグラフである。バリア機能は、メソチャネル内に導入される流体に蛍光標識された高分子（例えば、イヌリン−ＦＩＴＣ）を添加することによって評価された。分化した上皮は、イヌリンがメソチャネルからマイクロチャネルに通り抜けることを防ぎ、上皮が機能的なバリアを形成しているということを示している。 メソチャネルに面する多孔質膜の１つの側のヒト初代気道上皮細胞の、マイクロチャネルに面する多孔質膜の別の側で培養された内皮細胞との共培養を示す一式の画像である。 好中球リクルートアッセイのための、例の実験デザインを例示する模式的なダイアグラムである。図５Ａに記載されている分化方法を踏襲して、繊毛および杯細胞への分化のために、初代細気道上皮細胞がメソチャネル（「気道内腔」チャネル）内の膜上に播種された。ひとたび細胞が分化したら、内皮細胞が多孔質膜の別の表面上に播種され、共培養を形成し得る。それから、細胞は薬剤と接触させられ得、内皮単層への好中球の取り付きを測定することによって好中球リクルートが決定され得る。 炎症促進性因子（例えばＴＮＦα）によってデバイス内の分化したヒト初代気道（または気管支）上皮細胞にチャレンジすることによって誘導される炎症に応答した好中球リクルートを評価するための例示的な方法と、それからもたらされる実験データとを例示する図である。図１０Ａは、一実施形態に従うデバイスを用いて刺激に応答した好中球リクルートを評価するための例の方法を例示する、模式的なダイアグラムである。図５Ａに記載されている分化方法を踏襲して、繊毛および／または粘液分泌細胞への分化のために、初代細気道上皮細胞がメソチャネル（「気道内腔」チャネル）内の膜上に播種された。気道上皮細胞の分化時に、膜の別の表面（マイクロチャネル、「血管」チャネルに面する）は内皮細胞を播種されるか、またはそれなしであり得る。それから、メソチャネル内の分化した細胞は炎症促進性因子、例えばＴＮＦ−αによってチャレンジされた。それから、ヒト好中球を含む流体が「血管」チャネルをとおして流されて、好中球リクルートに及ぼすＴＮＦ−αによって誘導される炎症の効果を決定した。 図１０Ｂは、ＴＮＦαの処理ありまたはなしでメソチャネル内で培養された分化した上皮細胞に取り付いた好中球の定量を示すデータグラフを包含する（右パネル）。定量は、顕微鏡法イメージングによってとられた蛍光画像（左パネル）中の取り付いた好中球の数をカウントすることに基づく。 図１０Ｃは、特定の時点において「血管」チャネルをとおして流れている好中球を示すスナップショット画像である。 一実施形態に従うデバイス内の分化した細気道上皮細胞および任意選択で免疫細胞の感染応答を評価する例示的な方法と、それからもたらされる実験データとを例示する図である。図１１Ａは、デバイス内における感染応答を評価するための例の方法を例示する模式的なダイアグラムである。図５Ａに記載されている分化方法を踏襲して、繊毛および／または粘液分泌細胞への分化のために、初代細気道上皮細胞がメソチャネル（「気道内腔」チャネル）内の膜上に播種された。気道上皮細胞の分化時に、膜の別の表面（マイクロチャネル、「血管」チャネルに面する）は内皮細胞を播種されるか、またはそれなしであり得る。それから、メソチャネル内の分化した細胞はＴｏｌｌ様受容体３（ＴＬＲ−３）リガンドポリＩ：Ｃによってチャレンジされて、炎症を誘導した。免疫細胞（例えば、ヒト単球）を含む流体が静的な流体または流れる流体どちらかによって「血管」チャネル内に導入されて、分化した細胞のサイトカイン／ケモカインプロファイルおよび／または免疫細胞（例えば、単球および／または好中球）のリクルートに及ぼすＴＬＲ−３によって誘導される炎症の効果を決定した。 図１１Ｂは、ＴＬＲ−３活性化（インフル様状況）が、デバイス内の分化した気道上皮細胞によるケモカイン（例えば、単球化学誘引物質および好中球化学誘引物質）の放出を刺激するということを示す一式の棒グラフである。 図１１Ｃは、デバイス内のＴＬＲ−３によって活性化された分化した上皮細胞に取り付いた単球の定量と、関連する蛍光画像とを示す一式のデータである。 図１１Ｄは、ＴＬＲ−３リガンドポリＩ：Ｃありまたはなしの処理後の分化した上皮細胞の遺伝子発現を示すグラフである。 一実施形態に従うデバイスにおける感染の間の分化した細気道上皮細胞および任意選択で免疫細胞に異なる薬剤が及ぼす効果を評価する例示的な方法と、それからもたらされる実験データとを例示する図である。図１２Ａは、デバイス内でシミュレーションされた感染の間の異なる薬剤の効果を評価するための、例の方法を例示する模式的なダイアグラムである。図５Ａに記載されている分化方法を踏襲して、繊毛および／または粘液分泌細胞への分化のために、慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ）患者からの初代ヒト上皮細胞（商業ベンダーから得られた）がメソチャネル（「気道内腔」チャネル）内の膜上に播種された。ＣＯＰＤ上皮細胞の分化時に、膜の別の表面（マイクロチャネル、「血管」チャネルに面する）は内皮細胞を播種されるか、またはそれなしであり得る。それから、デバイス内の細胞は基礎培地を用いて飢餓させられ、その後に、異なる薬剤（例えば、コントロールとしてのＤＭＳＯ、ブデソニド、ならびに製薬企業から得られたＢＲＤ４阻害剤化合物１および２）による処理を行った。薬剤は、「血管」チャネルからの拡散によって分化した上皮細胞まで送達された。それから、前処理された分化したＣＯＰＤ上皮細胞は、ＴＬＲ−３リガンドポリＩ：Ｃによってチャレンジされて（例えば、約１０μｇ／ｍＬがメソチャネルに流れ込むエアロゾルとして送達される）、ＴＬＲ−３を刺激し、ウイルス感染を模倣した。分化したＣＯＰＤ上皮細胞からの分泌されたサイトカインおよびケモカインが、「血管」チャネルのフロースルーにおいておよび／または「気道内腔」チャネルの頂端洗浄液から定量された。一部の実施形態においては、免疫細胞（例えば、ヒト単球）を含む流体が静的な流体または流れる流体どちらかによって「血管」チャネル内に導入されて、免疫細胞（例えば、単球および／または好中球）のリクルートに及ぼすＴＬＲ−３によって誘導される炎症の効果を決定した。 図１２Ｂは、分化したＣＯＰＤ上皮細胞（ＴＬＲ−３リガンドポリＩ：Ｃに対する曝露に先立って異なる薬剤によって前処理された）による、「血管」チャネル内に放出された代表的なサイトカインおよびケモカイン（例えば、単球化学誘引物質および好中球化学誘引物質）の産生を示す一式のグラフである。これは、シミュレーションされたウイルス感染に応答したサイトカイン／ケモカイン分泌を低減することにおいて、化合物２が化合物１よりも強力であるということを示している。 図１２Ｃは、「血管」チャネル内への分化したＣＯＰＤ上皮細胞からのサイトカイン／ケモカインのいくつかの放出に異なる薬剤が及ぼす効果をまとめた表である。 図１２Ｄは、「気道内腔」チャネル内への分化したＣＯＰＤ上皮細胞によるサイトカイン／ケモカインのいくつかの分泌に異なる薬剤が及ぼす効果をまとめた表である。 図１２Ｅは、ＴＬＲ−３リガンドポリＩ：Ｃへの曝露に先立って異なる薬剤によって前処理された分化したＣＯＰＤ上皮細胞の遺伝子発現を示すグラフである。 図１２Ｆは、本明細書に記載されるデバイス内のＴＬＲ−３によって刺激された分化したＣＯＰＤ上皮細胞への好中球取り付きの定量を示すグラフである。グラフは、好中球接着を低減することにおいては化合物２がより強力であり、一方で、化合物１がかかる効果を有さなかったということを示しており、かかる結果は、炎症を低減することにおける化合物２の効能に関する製薬企業の社内データと一致しており、それをバリデーションしている。 本明細書に記載されるデバイスにおいて呼吸をシミュレーションするための例の実験セットアップまたは気体流調節デバイスの写真である。図１３Ａは、肺の気道をとおしての呼吸をシミュレーションするためのシステムの概観を示す写真である。システムは一実施形態に従うデバイスを含み、デバイスのメソチャネルは、ベンチレータ（空気流生成のため）、および任意選択で細胞をモニタリングするための光学デバイス（例えば顕微鏡）に適応的に接続される。デバイス内の呼吸ダイナミクスは、プログラム済みのコンピュータを用いてコントロールおよび／またはモニタリングされ得る。 図１３Ｂは、本明細書に記載されるデバイスのメソチャネルをとおして空気の両方向の流れを提供するための例の方法を示す図である。上パネルは、メソチャネル（「気道内腔」チャネル）の入口および出口を示す細気道チップのダイアグラム的な上側像である。下側パネルは、小動物用ベンチレータおよび他の装置を用いて、律動的な空気流がメソチャネル内に導入され得るということを示している（例えば、ｍｉｎ当り１５呼吸、約１００μＬ／呼吸の一回換気量）。追加して、メソチャネルの出口は気,体流調節デバイス（例えば、バルーンなどのインフレータブルなチャンバ）に適応的に接続されて、（チャンバ素材の弾性およびコンプライアンスによって）デバイスからの空気の呼気をたやすくする。 図１３Ｃは、バルーン（メソチャネル（「気道内腔」チャネル）の出口に配置されている）が、メソチャネルの入口をとおしてデバイスに流れ込む空気の蓄積によって膨張し、その弾性およびコンプライアンスによって収縮して空気を押し戻すということを示す写真である。 図１３Ｄは、気体流調節デバイスの代替的な実施形態を示す一式の写真であり、これはフレキシブルな振動板を含むドラムである。ベンチレータがメソチャネルの入口をとおして空気を押し込むと（吸気流）、ドラム振動板が外向きに（ふくらむ）および内向きに（しぼむ）動いて、それぞれ空気を蓄積し吐き出す。 １つの実施形態に従うデバイスにおける呼吸のシミュレーションを示す実験データである。空気流を生成するために、デバイスのメソチャネル（「気道内腔」チャネル）の１つの末端は、例えば空気の圧力および体積を調整し得る小動物用ベンチレータおよび付属装置に適応的に接続された。空気が「気道内腔」チャネルの１つの末端（すなわち「口末端」）からデバイス内に流された。これは「吸気流」である。「気道内腔」チャネルの別の末端（「肺胞末端」として知られる）はコンプライアンスおよび弾性を有するゴムバルーン構造に適応的に接続されて、デバイスから空気を追い出すことを助けた。これは「呼気空気流」である。空気流／呼吸は、細気道レベルにおける休息状態のヒト対象の呼吸を模倣するやり方で調整されており（１００μｌの一回換気量平均で、１５×（吸気+呼気）サイクル）、異なる呼吸のパターンおよび／または一回換気量に合うように調整され得る。呼吸の約２４ｈｒ後に、〜２μｍの蛍光（赤）ビーズが「気道内腔」チャネル内に（すなわち、上皮細胞上に）添加され、蛍光ビーズの動きが顕微鏡によって追跡された。このセットアップは繊毛クリアランス速度を決定するために用いられ得る。図１４Ａは、特定の時点におけるデバイスの「気道内腔」チャネル内の蛍光ビーズの動きを示す一式のスナップショット画像である。左パネルは、空気流を受容しなかったコントロールデバイスを対象としており、部分的に極性化したビーズの動きを示している（すなわちいくつかのビーズは１つの方向、少数は反対の方向）。右パネルは、空気流を約２４ｈｒ受容したデバイスを対象としており、「口末端」に向かうより極性化したビーズの動きを示している。 図１４Ｂは、空気流を受容したデバイス（呼吸チップ）の、空気流なしのコントロールデバイス（非呼吸チップ）よりも高い繊毛クリアランス速度（蛍光ビーズの動きによって決定される）を示す棒グラフである。 空気媒介性病原体の伝播性を評価するための例のシステムを示す、模式的なダイアグラムである。システムは「病原体感染」細気道チップおよび「非感染」細気道チップを含み、「病原体感染」細気道チップのメソチャネルは「非感染」細気道チップのメソチャネルに流体接続される。吸気空気流が「病原体感染」細気道チップのメソチャネル内に導入され、アウトプット空気流は「非感染」細気道チップに導かれて、空気媒介性の伝播性を決定する。 免疫細胞リクルート、成熟および活性化、ならびに流入を研究するための粘膜免疫プラットホームを形成するために用いられ得る１つの実施形態に従うデバイスの断面像を示す、模式的なダイアグラムである。免疫細胞は静的な流体または流れる流体どちらかによって「血管」チャネル内に導入され、それらの挙動（例えば、経上皮遊走、成熟、活性化、および／または「血管」チャネルへの再流入）がモニタリングされる。本プラットホームは、自然および獲得免疫における気道粘膜表面の役割を研究するために用いられ得る。 一実施形態に従うデバイス内の気管支細胞培養物の扁平表現型（図１７Ａ）およびレチノイン酸の添加による扁平表現型の反転（図１７Ｂ）を示す画像である。 一実施形態に従うデバイス内の気管支細胞培養物の扁平表現型（図１７Ａ）およびレチノイン酸の添加による扁平表現型の反転（図１７Ｂ）を示す画像である。 １つの実施形態に従うデバイス内で培養された喘息ドナーおよび正常ドナーからのヒト気道上皮細胞の形態を示す一式の画像である。 １つよりも多くの本明細書に記載されるデバイス（例えば、８〜１６個のデバイス）が互いにおよび／または流体供給源に流体接続され得るシステムを示す写真である。システムは、温度がコントロールされた環境をデバイスに提供するためのインキュベータを含み得る。 １つよりも多くの本明細書に記載されるデバイスを使用するシステムダイアグラムを例示する図であり、それらは互いにおよび／または流体供給源に流体接続される。 薬剤のエアロゾル送達のための本明細書に記載されるデバイスの１つの実施形態への慣性インパクターの一体化を例示する図である。 本明細書に記載されるデバイスの代替的な実施形態を例示する図である。図２２Ａは、膜によって少なくとも２つのマイクロチャネルから分離された少なくとも１つのメソチャネルを含むデバイスを例示する図である。 図２２Ｂは、膜によって少なくとも１つのマイクロチャネルから分離された少なくとも２つのメソチャネルを含むデバイスを例示する図である。 図２Ｄに記載されている実施形態に従うデバイスの上側像を例示する図である。 本明細書に記載される一部の実施形態に従う操作用チャネルを有するデバイスの直角断面像を示す図である。これらの実施形態において、操作用チャネルの高さはメソチャネルの高さおよび／またはマイクロチャネルの高さよりも大きい。図に示されている通り、膜は中央領域を包含するように構築され、中央領域は、マイクロチャネルからメソチャネルを分離する膜の部分を包含する。一部の実施形態において、膜は操作用チャネル（単数または複数）内に伸び得、操作用チャネル（単数または複数）を区分して２つ以上のコンパートメントにする（図面に示されている通り）。代替的な実施形態において、操作用チャネル（単数または複数）は、操作用チャネル（単数または複数）を区分して２つ以上のコンパートメントにするいずれかの膜を含有しない。 本明細書に記載される一部の実施形態に従う操作用チャネルを有するデバイスの直角断面像を示す図である。これらの実施形態において、操作用チャネルの高さはメソチャネルの高さおよび／またはマイクロチャネルの高さよりも大きい。図に示されている通り、膜は中央領域を包含するように構築され、中央領域は、マイクロチャネルからメソチャネルを分離する膜の部分を包含する。一部の実施形態において、膜は操作用チャネル（単数または複数）内に伸び得、操作用チャネル（単数または複数）を区分して２つ以上のコンパートメントにする（図面に示されている通り）。代替的な実施形態において、操作用チャネル（単数または複数）は、操作用チャネル（単数または複数）を区分して２つ以上のコンパートメントにするいずれかの膜を含有しない。 本明細書に記載される１つ以上の実施形態に従うデバイス内における空気−液体界面（ＡＬＩ）誘導の後の、良く分化した正常および慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ）上皮の共焦点画像である。（図２５Ａ）上側パネルは初代健常ドナー由来上皮を示す。下側パネルは、偽重層円柱上皮における頂端の繊毛被覆を示す直交断面図である。繊毛の頂端局在に注意。 （図２５Ｂ）上側パネルは、ＣＯＰＤ患者から得られた上皮細胞を示す。下側パネルは、偽重層円柱上皮における頂端の繊毛被覆を示す直交断面図である（核（nucleic）はＤＡＰＩによって対比染色された）。図２５Ａ〜２５Ｂにおいて、繊毛細胞はβ−チューブリン（tublin）ＩＶについて標識され、粘液（mucous）産生杯細胞は抗ＭＵＣ５ＡＣ抗体によって染色された。核（nucleic）はＤＡＰＩによって対比染色された。繊毛の頂端局在に注意。（上側パネル）スケールバー２０μｍ。（下側パネル）スケールバー２０μｍ。 本明細書に記載される１つ以上の実施形態に従うデバイス内においてＣＯＰＤ疾患表現型が確立され得るということを示すデータグラフである。図２６Ａは、デバイス内で育てられた健常およびＣＯＰＤ由来上皮細胞の間のＴＬＲ４（左）およびＴＬＲ３（右）発現のｍＲＮＡレベルを示す図である（４人のＣＯＰＤドナーおよび６人の健常対象）。 図２６Ｂは、ＬＰＳ（リポ多糖）刺激後のＣＯＰＤおよび健常上皮の間でＩＬ−８分泌を比較している。 図２６Ｃは、ポリ（Ｉ：Ｃ）（ポリイノシン・ポリシチジン酸）刺激後のＣＯＰＤおよび健常上皮の間でＭ−ＣＳＦ分泌を比較している。 図２６Ｄ〜２６Ｅは、ポリ（Ｉ：Ｃ）による刺激後に健常ドナーおよびＣＯＰＤ上皮細胞両方において誘導されたサイトカインＩＰ−１０（図２６Ｄ）およびＲＡＮＴＥＳ（図２６Ｅ）の発現を示している（用いられた条件当り両方の群につき４人のドナー）。 図２６Ｄ〜２６Ｅは、ポリ（Ｉ：Ｃ）による刺激後に健常ドナーおよびＣＯＰＤ上皮細胞両方において誘導されたサイトカインＩＰ−１０（図２６Ｄ）およびＲＡＮＴＥＳ（図２６Ｅ）の発現を示している（用いられた条件当り両方の群につき４人のドナー）。 繊毛上皮、内皮、および循環白血球を含む３細胞型マイクロ流体共培養システムの確立を示す図である。（図２７Ａ）左パネル：毛細血管後細静脈（インビボの白血球リクルートおよび接着の主な部位）を再現するために用いられる本明細書に記載されるデバイスの１つの実施形態の３Ｄ断面ダイアグラム。中央のパネル：上皮、内皮、および好中球（全て初代細胞）の３細胞型共培養を示す模式的なダイアグラム。右パネル：オンデバイスの繊毛上皮および内皮二重層の垂直免疫蛍光断面。繊毛細胞はβ−チューブリンＩＶについて標識され、内皮細胞は抗ＣＤ３１／ＰＥＣＡＭ−１抗体によって染色された。核はＤＡＰＩによって対比染色された。スケールバー２０μｍ。 （図２７Ｂ）一連のタイムラプス顕微鏡画像は、予め接着していた好中球（円形）に隣接する内皮への流れる好中球（左から第１のパネルにおいては見えないが、第２のパネルでは見える。矢頭によって示されている）の捕捉を示した。最初の取り付きの後、好中球は活性化した内皮の頂端表面を這い、それから強固に接着した（時間は秒で示されている）。好中球および内皮細胞は、それぞれＣｅｌｌＴｒａｃｋｅｒＲｅｄおよびカルセインＡＭによってライブ染色されている。 （図２７Ｃ）ポリ（Ｉ：Ｃ）ありまたはなしでの分化した上皮細胞の処理後の、内皮細胞におけるＥ−セレクチンおよびＶＣＡＭ１のｍＲＮＡレベルを示す棒グラフ（条件当り３つのデバイスが用いられた）。 本明細書に記載される１つ以上の実施形態に従う細気道模倣デバイスにおいて、好中球捕捉および接着ならびに炎症抑制に関する薬物有効性を決定するケイパビリティを示す図である。（図２８Ａ）３つの異なる条件下におけるリクルートされた好中球の接着を示す、代表的な免疫蛍光画像。左）薬物なし、（中央）ブデソニド、（右）ＰＦＩ−２。好中球は実験の直前にヘキストによって染色されて、可視化および定量を許した。 （図２８Ｂ）図２８Ａにおいてイメージングされた活性化した内皮への好中球接着のパーセンテージ変化を示す棒グラフ。（ｎ＝条件当り３人の異なるドナー、４つの独立した実験から条件当り７〜８つのデバイス、チップ当り４〜５つの別個の視野）。 （図２８Ｃ）示されている薬物によってまたは無処理下で調節された異なるサイトカインの分泌のレベルを示す、一式の棒グラフ。測定されたサイトカインは、好中球誘引物質ＩＬ−８、ＧＲＯα、およびＧＭ−ＣＳＦ、単球化学誘引物質ＭＣＰ−１、ならびに急性炎症関連サイトカインＩＬ−６を包含する（ｎ＝条件当り３ドナー）。 本明細書に記載されるデバイスの１つ以上の実施形態においてクララ細胞に分化したヒト気道上皮細胞を示す画像である。（図２９Ａ）デバイス内における細気管支細胞の良い分化の後の、ＣＣ１０について染色されたクララ細胞およびβ−チューブリンＩＶによって標識された繊毛細胞の共焦点顕微鏡の上側像の画像。スケールバー１０μｍ。 （図２９Ｂ）デバイス内において育てられた分化した細気管支細胞の代表的な走査電子顕微鏡写真。広範囲の繊毛細胞被覆（「１」矢印）、正常では粘液（mucous）産生杯細胞の頂端膜を示す微絨毛（「２」矢印）、およびクララ細胞を示すいくつかのドーム形状の構造（「３」矢印）を示している。スケールバー１０μｍ。 薬物有効性の評価のための気道チップ内における喘息様表現型の誘導を示す図である。図３０Ａは、ＩＬ−１３によって刺激された気道チップが杯細胞（粘液を産生する細胞）のより多数を見せるということを示す一式の蛍光画像である。 図３０Ｂは、蛍光画像に基づく杯（globet）細胞被覆の定量を示す棒グラフである（代表的な画像が図３０Ａに示されている）。 図３０Ｃは、ＩＬ−１３刺激なしの細胞と比較した、ＩＬ−１３によって刺激された細胞によるＧ−ＣＳＦおよびＧＭ−ＣＳＦの分泌を示す一式の棒グラフである。 図３０Ｄは、示されている条件下での繊毛振動周波数を示す棒グラフである。図３０Ｂ〜３０Ｄにおいて、「気道」デバイスは、ＩＬ−１３によって刺激された細胞をトファシチニブによって処理すること、そして上に記載された各表現型を測定することによって、トファシチニブ（ＪＡＫ阻害剤）の薬物有効性を評価するためにもまた用いられた。
種々の態様の例の実施形態が、臓器シミュレーションデバイスならびにその使用および製造の方法の文脈において本明細書に記載される。具体的には、本発明の１つの実施形態は、とりわけ、細胞（例えば、低剪断を要求および／または重層構造もしくは３次元組織を形成する細胞）の成長および分化のための、臓器シミュレーションデバイスおよびその使用の方法を対象とする。本明細書に記載される種々の態様によれば、臓器シミュレーションデバイスは膜によって分離された第１のチャネルおよび第２のチャネルを含み、第１のチャネル（本明細書に記載される「メソチャネル」と称される）は、細胞が偽重層もしくは重層構造または３次元組織構造を形成することを許すために十分な高さを有する。１つの実施形態において、メソチャネルの高さは第２のチャネル（マイクロチャネルともまた言われる）の高さよりも実質的に大きくあり得る。別の実施形態において、メソチャネルの高さは第２のチャネルの高さと実質的に同じであり得る。
例えば、本発明者は、本明細書に記載されるデバイスの１つの実施形態において、デバイス内に確立された空気−液体界面において気道上皮細胞を培養することによって、偽重層構造の繊毛細胞、粘液（mucous）分泌杯細胞、およびクララ細胞への初代ヒト気道上皮細胞（例えば、細気道上皮細胞）の良い分化を実証した。この実施形態において、デバイスはメソチャネルおよびマイクロチャネルを含み、メソチャネルはマイクロチャネルのもの（例えば、〜１００μｍ）よりも実質的に高い高さ（例えば、〜１０００μｍ）を有する。メソチャネルは「気道内腔」チャネルを模倣するように適応し得、マイクロチャネルは「血管」チャネルを模倣するように適応し得る。例えば、「気道内腔」チャネルを形成するためには、気道または気管支上皮細胞が上側のメソチャネル（「気道内腔」チャネル）に面する膜上に播種され、上皮細胞は、空気−液体界面におけるデバイス内の培養の約３〜４週間の後に分化する。
追加して、既存の上部開放型のトランスウェルシステム（これは、ヒト細胞を育て、分化させるために以前に用いられて来たが、上皮細胞上への（所与の体積、方向、および速さによる）空気の送達を許さない）とは違って、メソチャネル（または「気道内腔」チャネル）は上部閉鎖型システムを形成するように適応し得、これは、呼吸パターンおよび／またはリズムを模倣する分化した上皮細胞上の空気流を許す。例えば、メソチャネルの１つの末端は、メソチャネル内の空気の片方向および／または両方向の流れを提供するように適応した気体流調節デバイス（例えば、可逆的に膨張可能なまたはインフレータブルなチャンバ）に接続するように適応し得る。それゆえに、空気がメソチャネルをとおして（所定の体積、流量、および／または速さで）デバイス内および外に送達されて、呼吸を模倣ならびに／または化合物、ケミカル、および／もしくはバイオ医薬品のエアロゾル送達を許し得る。さらに、メソチャネル内の空気流の指向性は、メソチャネル内で育てられた分化した繊毛細胞の指向的で律動的な振動をもまたたやすくし得、これは翻って１つの末端から別へのメソチャネルの長さ上における粒子（例えば、ゴミ、病原体、および／または微粒子）の粘膜繊毛クリアランスを決定するために用いられ得る。
追加して、デバイスは、免疫細胞（例えば、ＣＤ８＋Ｔ細胞、リンパ球、単球、および／または好中球であるが、これに限定されない）の、下側マイクロチャネル（または「血管」チャネル）内の静的なまたは流れる培地から膜への、またはマイクロチャネル（または「血管」チャネル）に面する膜の別の表面上で育てられた血管関連細胞（例えば、内皮細胞、線維芽細胞、周皮細胞、および／または平滑筋細胞）への、リクルートを決定するために用いられ得る。これらの両方とも、炎症性応答（例えば、呼吸器疾患または感染に関与する）を代表またはモデリングし得る。それゆえに、本明細書に記載されるデバイスの種々の実施形態は、呼吸器疾患（例えば、喘息、慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ）、肺高血圧、嚢胞性線維症、および呼吸器系（例えば、鼻腔、気管、気管支、および／または気道を包含する）に関連するいずれかの疾患）、放射線傷害、および／または感染性疾患（例えば、ウイルスまたは細菌感染）をモデリングおよび研究するために用いられ得る。これらの疾患モデルは、翻って、例えば薬物スクリーニングおよび／または種々の疾患もしくは障害の病態生理の研究に用いられ得る。
１つの実施形態において、本明細書に記載されるデバイスは、肺胞、気道、気管支、気管、および鼻腔上皮を包含するヒト肺細胞の成長および分化にとって好適である一方で、本明細書に記載されるデバイスは、最適な細胞培養および／または複数の細胞層または３次元組織構造の形成を支持するためにより高いチャネル高さを要求する他の臓器チップ（例えば、皮膚チップ、肝臓チップ、消化管チップ、心臓チップ、眼チップ、および他を包含するが、これに限定されない）にもまた用いられ得る。従って、一部の実施形態において、本明細書に記載されるデバイスは呼吸器疾患よりも他の疾患（例えば、皮膚疾患、肝臓疾患、胃腸管疾患、心臓疾患、および眼疾患だが、これに限定されない）をモデリングするために用いられ得る。
当業者は、次の記載が単に例示的であり、決して限定することを意図されてはいないということを認識するであろう。他の実施形態は、本開示の利益を有する業者にそれら自体をすぐに示唆するであろう。ここで、添付の図面に例示されている例の実施形態の実装への参照が詳細になされる。同じまたは同種の物を指すために、図面および次の記載においては同じ参照指示記号が用いられる。言い回し「一実施形態」が１つよりも多くの実施形態を包摂し、それゆえに簡潔さのための１つの実施形態のみに限定されないということは理解される。
本開示に従って、臓器模倣デバイス（「本デバイス」ともまた言われる）は、ソフトウェア、データコンポーネント、プロセスステップ、および／またはデータ構造を利用するセンサ、コンピュータ、ディスプレイ、および他の計算装置を組み込んだ総合的なシステム中で好ましくは利用される。臓器模倣デバイスに使用されるコンピュータシステムに関して本明細書に記載されるコンポーネント、プロセスステップ、および／またはデータ構造は、オペレーティングシステム（例えば、Ｗｉｎｄｏｗｓ（商標）、ＬＩＮＵＸ、ＵＮＩＸなど）、計算プラットホーム（例えば、Ｉｎｔｅｌ、ＡＭＤ、ＡＲＭなど）、コンピュータプログラム、および／または汎用機の種々の型を用いて実装され得る。追加して、当業者は、本明細書において開示される発明概念の範囲および趣旨から逸脱することなしに、より汎用でない性質のデバイス（ハードワイヤドデバイス、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、または特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）など）もまた用いられ得るということを認識するであろう。
一連のプロセスステップを含む方法が、下に記載される臓器模倣デバイスとの使用を有するコンピュータまたは機械によって実装され、それらのプロセスステップが、機械によって読み取り可能な一連のインストラクションとして保存され得るところでは、それらは、有形媒体、例えばコンピュータメモリデバイス（例えば、ＲＯＭ（リードオンリーメモリ）、ＰＲＯＭ（プログラマブルリードオンリーメモリ）、ＥＥＰＲＯＭ（電気的に消去可能なプログラマブルリードオンリーメモリ）、ＦＬＡＳＨメモリ、ジャンプドライブ、および同様のもの）、磁気記録媒体（例えば、テープ、磁気ディスクドライブ、および同様のもの）、光記録媒体（例えば、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、紙カード、紙テープ、および同様のもの）、およびプログラムメモリの他の型上に保存され得る。
本デバイスの実施形態は数多くの分野において応用され得、基礎生物科学、生命科学研究、創薬および薬物開発、薬物安全性試験、化学的および生物学的アッセイ、さらには組織および臓器工学を包含する。一実施形態において、臓器模倣デバイスは、心血管系、癌、および臓器特異的な疾患生物学における基礎研究のための微小血管ネットワーク構造として用いられ得る。さらにその上に、デバイスの１つ以上の実施形態は、肝臓、腎臓、肺、腸、骨髄、ならびに他の臓器および組織のための臓器補助デバイス、さらには臓器置換構造物に用途を見いだす。
種々の環境刺激に対する細胞応答は、本デバイスと組み合わせられ得る種々のシステムを用いてモニタリングされ得る。周知のセンサを用いてｐＨの変化をモニタリングし得る。力センサを膜に一体化して、細胞の機械的特性の変化を測定し得る。遺伝子転写の変化または細胞の生物化学もしくは構造組織化の変化の測定のために、連続的または定期的に細胞をサンプリングもまたし得る。例えば、細胞のストレスのサインである活性酸素種（ＲＯＳ）を測定し得る。膜上で育てられた「組織」を、染色（例えば、ヘマトキシリンおよびエオシン染色）を用いる顕微鏡分析、免疫組織化学的分析、インシチュハイブリダイゼーション分析、または典型的な病理分析にもまた供し得る。これらの分析のためのサンプルは、リアルタイムで実施されるか、または実験後にとられるか、または研究もしくは実験の間の異なるステージにおいて小生検をとることにより得る。
膜上で育てられた細胞を他の細胞（例えば、免疫系細胞または細菌細胞）、抗体、または抗体に導かれる細胞にさらして、例えば特定の細胞受容体を標的化し得る。細胞をウイルスまたは他の粒子に曝露し得る。外部から供給された物質（細胞、ウイルス、粒子、または蛋白質など）の動きの検出を補助するために、放射性または蛍光標識などの典型的な手段を用いてそれらを当然に標識し得る。
細胞は、本デバイスを少なくとも約１週間、少なくとも約２週間、少なくとも約３週間、少なくとも約４週間、少なくとも約５週間、少なくとも約６週間、少なくとも約７週間、少なくとも約８週間、またはより長く用いて、育てられ、分化させられ、培養され、支持され、もしくは維持され、および／または分析され得る。例えば、下で論じられる通り、少なくとも約１ヶ月間またはより長く、記載されるデバイスの一実施形態において、細胞が膜上で生育可能に維持され、分化させられ得るということが示された。一部の実施形態において、細胞は、細胞成長を誘導するためにデバイス内で培養され得る。一部の実施形態において、細胞（例えば、一部の初代細胞）はデバイス内で増殖を続けるよりもむしろ維持され得る。
本明細書に記載される臓器模倣デバイスは多くの異なる応用を有し、細胞分化、重層および／または３次元組織構造の形成、興味ある組織の疾患モデルの開発、粘膜免疫プラットホームの開発、粒子の繊毛クリアランスの研究、病原体の空気媒介性の伝播性の研究、免疫細胞応答（例えば、経上皮遊走、成熟、活性化、殺細胞、および／または流入）の研究、種々の組織特異的な疾患（例えば、呼吸器、腸、消化、皮膚、心臓、および／または眼疾患）の研究、薬物の作用機序の研究、標的同定および／またはバリデーション、疾患のマーカの同定、種々の化学的または生物学的薬剤の薬物動態および／または薬力学を評価すること、治療および／またはワクチンの有効性を評価すること、遺伝子治療ベクタを試験すること、薬物および／またはワクチン開発、分子もしくは薬物スクリーニングまたは創薬、特定の患者集団または個々の患者のための適切な処置または薬物の決定、疾患または障害のリスク集団の同定、以前に投与された処置に対して非反応性である患者集団のための新たな薬物標的の同定、生理的に意味のあるモデル（例えば、幹細胞および骨髄細胞を包含する）における細胞挙動の研究、ゼノバイオティクスのバイオトランスフォーメーション、吸収、クリアランス、代謝、および活性化の研究、上皮または内皮層をとおした化学的または生物学的薬剤のバイオアベイラビリティおよび輸送の研究、血管−脳関門をとおした生物学的または化学的薬剤の輸送の研究、腸上皮バリアをとおした生物学的または化学的薬剤の輸送の研究、化学的因子の急性の基本的毒性の研究、化学的因子の急性の局所または急性の臓器特異的な毒性の研究、化学的因子の慢性の基本的毒性の研究、化学的因子の慢性の局所または慢性の臓器特異的毒性の研究、化学的因子の催奇形性の研究、化学的因子の遺伝毒性、発癌性、および／または変異原性の研究、感染性の生物学的因子および／または生物兵器の検出、有害な化学的因子および化学兵器の検出、感染性疾患（例えば、細菌、ウイルス、および／または真菌感染）の研究、新株の感染性および／またはビルレンスを評価すること、疾患を処置するための化学的および／または生物学的薬剤の最適用量範囲の研究、生物学的および／または化学的因子に曝露されたインビボの臓器の応答の予測、薬剤に対する応答に及ぼす遺伝子コンテンツのインパクトに関する研究、化学的または生物学的因子に応答した遺伝子転写の研究、化学的または生物学的因子に応答した蛋白質発現の研究、化学的または生物学的因子に応答した代謝の変化の研究、さらには下に記載される例の使用を包含するが、これに限定されない。臓器模倣デバイスは、（例えば、薬物の組織代謝に相当する様式で）物質に及ぼす細胞の効果について細胞によってスクリーニングするためにもまた用いられ得る。
一部の実施形態において、本デバイスは、歩行、ランニング、呼吸、蠕動、月経または尿の流れ、または心臓の鼓動の機械的負荷環境をシミュレーションするために、機械的に活発な組織から培養された細胞（例えば、心臓、肺、骨格筋、骨、靭帯、腱、軟骨、平滑筋細胞、腸、腎臓、内皮細胞、および他の組織からの細胞）に用いられ得る。静的環境における細胞の生物学的または生物化学的応答を試験するのではなく、本研究者は、機械的ストレス（張力、圧縮、および剪断を包含する）の周波数、振幅、および持続時間の広範囲を培養細胞に加え得る。例えば、デバイス内の膜を機械的に調節して、歩行、ランニング、呼吸、および蠕動の機械的負荷環境をシミュレーションし得る。
当業者は膜の表面（単数または複数）に細胞の種々の型を置き得る。細胞は多細胞構造（線虫、アメーバ、ヒトなどの哺乳類までを包含する）からのいずれかの細胞型を包含する。デバイス上にインプラントされる細胞型は、模倣しようとする臓器または臓器機能の型、およびそれらの臓器をなす組織に依存する。本明細書に記載されるデバイスの膜上にインプラント可能な細胞の種々の型のより詳細は、下で論じられる。
種々の幹細胞、例えば骨髄細胞、人工成体幹細胞、胚性幹細胞、人工多能性幹細胞、または成体組織から単離された幹細胞を、膜の１つのまたは両方の側どちらかで共培養もまたし得る。細胞の各層にフィードするチャンバ内に異なる培養培地を用いることによって、異なる分化刺激が幹細胞層に達することを許し得、それによって、細胞を異なる細胞型に分化させる。細胞型を膜の同じ側で混合して、膜分離なしの異なる細胞の共培養をもまた作り出し得る。
［例示的なマイクロ流体デバイスおよびその使用の方法］
一般的に、本開示はデバイスおよび使用の方法を対象とし、デバイスは、１つ以上の膜によって区分された主チャネルを有するボディを包含する。膜（単数または複数）は、主チャネルを分割して実質的に異なる高さの２つ以上の密接した平行なチャネルにするように構成され、１つ以上の第１の流体が少なくとも１つのメソチャネルをとおして加えられ、１つ以上の第２の流体が少なくとも１つのマイクロチャネルをとおして加えられる。マイクロチャネル（単数または複数）に対するメソチャネル（単数または複数）の高さ比は１：１よりも大きい。各膜の表面は細胞接着分子によって処理またはコーティングされて、細胞の取り付きを支持し、膜の上側および下側表面上において組織へのそれらの組織化を促進して、それによって隣接した平行な流体チャネル間の膜によって分離された組織−組織界面を作り出し得る。膜は、多孔質（例えば、透過性または選択的に透過性）、非多孔質（例えば、非透過性）、リジッド、フレキシブル、弾性、またはそのいずれかの組み合わせであり得る。一部の実施形態において、膜は多孔質であり得、例えば、流体（例えば、気体および／または液体）の交換／輸送、分子（例えば、栄養、サイトカインおよび／もしくはケモカイン）の通過、細胞トランスマイグレーション、またはそのいずれかの組み合わせを許す。一部の実施形態において、膜は非多孔質であり得る。流体圧力、流れ、およびチャネル幾何形状は、１つのまたは両方の細胞または組織層に望まれる流体剪断ストレスを加えるために変えられ得る。より小さいマイクロチャネル（単数または複数）内で培養される細胞または組織層と比較して、より大きいメソチャネル（単数または複数）は、より低い剪断、その中で培養される細胞または組織層のためのより広大な環境を提供する。
限定しない例の実施形態において、デバイスは気道または気管支の作動を模倣するように構成され得、それによって、より低い剪断および／または重層構造を選好する細胞（例えば、気道上皮細胞）がメソチャネルに面する膜の１つの表面上に存在し、一方で、肺毛細血管内皮細胞、線維芽細胞、平滑筋細胞が、マイクロチャネルに面する同じ膜の反対の面上に存在する。それによって、デバイスは機能的な気道または気管支ユニットの構造および機能のシミュレーションを許し、それらは、呼吸をシミュレーションするための生理的な機械的歪みに、または、膜の細孔をとおしてのこの組織−組織界面越しのケミカル、分子、および細胞の交換を研究するための空気中および血液中両方の化学的、分子的、微粒子、ならびに細胞の刺激に曝露され得る。デバイスは、生理条件下および病理条件下で分析されることができる臓器レベルの応答を模倣するインビトロの気道または気管支モデルの開発に影響を与える。このシステムはいくつかの応用に用いられ得、疾患モデル、薬物スクリーニング、薬物送達、ワクチン送達、バイオ検出、毒性学、生理学、および臓器／組織工学応用を包含するが、これに限定されない。
別の実施形態において、デバイスは、最適な細胞培養を支持するためにより高いチャネル高さを要求する他の臓器模倣デバイスに適応し得、皮膚チップ、心臓チップ、肝臓チップ、消化管チップ、および眼チップを包含するが、これに限定されない。例えば、国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ１２／６８７２５およびＰＣＴ／ＵＳ１２／６８７６６号に記載されている臓器模倣デバイス（その内容は参照によって本明細書に組み込まれる）は、より高いチャネル高さを有するマイクロチャネルの１つを有するように改変され得る。
図１は、一実施形態に従う本発明デバイスを使用する全体的なシステムのブロックダイアグラムを例示している。図１に示されている通り、システム１００は、臓器模倣デバイス１０２、デバイス１０２につながれた１つ以上の流体供給源１０４、１０４Ｎ、流体供給源１０４およびデバイス１０２につながれた１つ以上の任意選択のポンプ１０６を包含する。１つ以上の中央処理装置（ＣＰＵ）１１０がポンプ１０６につながれ、好ましくはデバイス１０２内および外への流体の流れをコントロールし得る。ＣＰＵ１１０は、好ましくは１つまたはプロセッサ１１２および１つ以上のローカル／リモート記録メモリ１１４を包含する。ディスプレイ１１６がＣＰＵ１１０につながれ得、１つ以上の圧力供給源１１８がＣＰＵ１１０およびデバイス１０２につながれ得る。ＣＰＵ１１０は、好ましくは、デバイスへの加圧された流体の流れおよび流量をコントロールする。１つの界面デバイス１０２が本明細書において示され記載されているが、界面デバイス１０２の複数が下で論じられるシステム１００内で試験および分析され得るということは注意されるべきである。
より詳細に論じられる通り、臓器模倣デバイス１０２は、好ましくは、デバイス１０２のメソチャネルおよびマイクロチャネルをシステムの外的なコンポーネント（例えば、流体および圧力供給源）と連通に置く２つ以上のポートを包含する。具体的には、デバイス１０２は１つ以上の流体供給源１０４Ｎにつながれ得、流体供給源は、空気、培養培地、血液、水、細胞、化合物、微粒子、および／またはデバイス１０２に送達されるべきいずれかの他の媒体を含有し得る。１つの実施形態において、流体供給源１０４はデバイス１０２の１つ以上のメソチャネルおよびマイクロチャネルに流体を提供し、好ましくは、デバイス１０２を出る流体を受容もまたする。一部の実施形態において、デバイス１０２を出る流体は、追加してまたは代替的に、流体供給源１０４からは別個の流体コレクタまたはリザーバ１０８内に集められ得る。それゆえに、別個の流体供給源１０４、１０４Ｎがそれぞれデバイス１０２に流体を提供し、デバイス１０２から流体を取り除くということが可能である。
一実施形態において、デバイス１０２を出る流体は再利用され、それが以前に入った同じかまたは異なるインプットポートに再導入され得る。例えば、特定の主サブチャネル（例えば、メソチャネルまたはマイクロチャネル）を通過した流体がデバイスに再循環させられ、再び同じチャネルをとおして流されるように、デバイス１０２がセットアップされ得る。これは、例えば、それがデバイスに再循環させられるときに流体中のアナライトの濃度を増大させるために用いられ得る。別の例において、デバイスを通過した流体がデバイスに再循環させられ、それから、爾後に別のチャネル（例えば、メソチャネルまたはマイクロチャネル）をとおして流されるように、デバイス１０２がセットアップされ得る。これは、それが別のチャネル（例えば、メソチャネルまたはマイクロチャネル）をとおして循環させられるときに、流体の濃度または構成を変化させるために用いられ得る。
１つ以上のポンプ１０６が、デバイス１０２内に流体を圧送するために好ましくは利用されるが、ポンプは一般的にシステムにとって任意選択である。流体ポンプは当分野において周知であり、本明細書においては詳細に論じられない。下でより詳細に論じられる通り、各マイクロチャネル部分は好ましくはそのそれぞれの入口ポートおよび／または出口ポートと連通し、それによって各マイクロチャネル部分は流体がそれをとおして流れることを許す。
デバイス内の各メソチャネルおよびマイクロチャネルは好ましくは専用の入口ポートおよび出口ポートを有し、それらはそれぞれの専用の流体供給源および／または流体コレクタに接続されて、媒体の流量、流れの内容、圧力、温度、および他の特徴が独立して各チャネルをとおしてコントロールされることを許す。それゆえに、望まれる細胞マーカ（例えば、ＲＮＡまたは蛋白質レベルでの遺伝子発現の変化）について別個の流体チャネルをサンプリングすることによって、細胞または組織層のそれぞれへの種々の刺激の効果を別個にモニタリングもまたし得る。
細胞インジェクタ／リムーバ１０８コンポーネントはデバイス１０２と連通して示されており、それによって、インジェクタ／リムーバ１０８は、細胞（例えば、上皮、内皮細胞、線維芽細胞、平滑筋細胞、基底細胞、繊毛細胞、円柱細胞、杯細胞、筋細胞、免疫細胞、神経細胞、造血細胞、肺細胞（例えば、肺胞上皮細胞、気道細胞、気管支細胞、気管細胞、および鼻腔上皮細胞）、消化管細胞、脳細胞、幹細胞、皮膚細胞、肝臓細胞、心臓細胞、脾臓細胞、腎臓細胞、膵臓細胞、生殖細胞、およびそのいずれかの組み合わせだが、これに限定されない）をデバイス１０２内の界面膜の１つ以上の表面上において、入口ポート（単数または複数）２１０、２１８からデバイス内に導入される細胞とは独立して注入する、取り出す、および／または操作するように構成される。例えば、病原性細胞を引張る磁性粒子を含有する血液が別個のデバイス内で培養され得、それによる混合物が後で望まれる時間にインジェクタを通ってシステム内に導入され得、流体供給源１０４をとおして混合物を流さなくてよい。一実施形態において、細胞インジェクタ／リムーバ１０８は独立してコントロールされるが、インジェクタ／リムーバ１０８は、図１に示される通りＣＰＵ１１０によってコントロールされ得る。細胞インジェクタ／リムーバ１０８は任意選択のコンポーネントであり、必要ではない。
要求はされないが、デバイス１０２の膜は、例えばニューマチックな手段によってデバイス１０２内に機械的な動きを引き起こすように適応し得る。それらの実施形態においては、外力（例えば、機械的な力または圧力）が１つ以上の外力供給源１１８から加えられて、デバイス１０２内の膜の機械的な動きを引き起こし得る。機械的エネルギがデバイスに用いられる一実施形態において、外力供給源（例えば、引き伸ばす）１１８はＣＰＵ１１０によってコントロールされて、加えられた力に応答して引き伸ばされるおよび／または引き戻されるようにデバイス内の１つ以上の膜を引き伸ばすかまたは開放する。圧力がデバイスに用いられる一実施形態において、外力供給源（例えば、圧力供給源）１１８はＣＰＵ１１０によってコントロールされて、デバイス内に圧力差を加えて、デバイス内の１つ以上の膜が加えられた圧力差に応答して引き伸ばされるおよび／または引き戻されることを有効に引き起こす。一実施形態において、外力供給源（例えば、圧力供給源）１１８によってデバイス１０２に加えられる圧力はデバイスの構成または用途に依存して陽圧である。追加してまたは代替的に、外力供給源（例えば、圧力供給源）１１８によって加えられる圧力は、デバイスの構成または用途に依存して陰圧である（例えば、バキュームまたは吸引）。外力供給源１１８は、好ましくはＣＰＵ１１０によってコントロールされて、外力（例えば、機械的な力または圧力）を設定された定時インターバルまたは周波数でデバイス１０２に加え、それによる定時インターバルは一様または非一様に設定され得る。外力供給源１１８は一様な力（例えば、機械的な力または圧力）を定時インターバルで加えるようにコントロールされ得るか、または異なる力（例えば、機械的な力または圧力）を異なるインターバルで加え得る。例えば、圧力供給源１１８によって加えられる圧力は大きな規模を有し、および／または望まれる周波数に設定されて、ランニングしているかまたは活動をしている者を模倣し得る。外力供給源１１８は低速のおよび／または不規則なパターンをもまた加え得、例えば、眠っているかまたは呼吸器の問題を有する者をシミュレーションする。一実施形態において、ＣＰＵ１１０は外力供給源１１８を操作して、外力（例えば、機械的な力または圧力）を加えるインターバルをランダムに変えて、周期的な引き伸ばしパターンが自然呼吸の間の呼吸数および一回換気量の不規則性をシミュレーションすることを引き起こす。
一部の実施形態においては、デバイスの少なくとも１つのチャネル（例えば、呼吸を模倣するためのデバイスのメソチャネル）に気体インフロー（例えば、空気インフロー）を導入するために、気体流供給源ジェネレータ１２２がデバイス１０２につながれ得る。
１つ以上のセンサ１２０がデバイス１０２につながれて、デバイス１０２内の１つ以上のエリアをモニタリングし得、それによってセンサ１２０はモニタリングデータをＣＰＵ１１０に提供する。センサ１２０の１つの型は好ましくは力センサであり、これは、膜に加えられる力、ストレス、および／もしくは歪みの量、またはデバイス１０２内の１つ以上の操作用チャネル内の圧力に関するデータを提供する。デバイス内に圧力が用いられる１つの実施形態において、チャネル壁の反対の側からの圧力データが用いられて、操作用および主サブチャネル（例えば、メソチャネルおよびマイクロチャネル）の間のリアルタイム圧力差情報を計算し得る。モニタリングデータはＣＰＵ１１０によって用いられて、デバイスの作動条件、さらにはどのように細胞がデバイス１０２内で特定の環境においてリアルタイムで挙動しているかに関する情報を提供するであろう。センサ１２０は、電極であるか、赤外線、光学（例えばカメラ、ＬＥＤ）、もしくは磁気ケイパビリティを有するか、またはテクノロジのいずれかの他の適切な型を利用して、モニタリングデータを提供し得る。例えば、センサは１つ以上の微小電極であり得、それらが膜越しの電気的特徴（例えば電位差、抵抗、および短絡電流）を分析して、組織的なバリアの形成、さらには膜越しのその流体／イオン輸送機能を裏付ける。センサ１２０がデバイス１０２に対して外付けであるか、またはデバイス１０２内に一体化され得るということは注意されるべきである。一部の実施形態において、ＣＰＵ１１０はセンサ１２０の作動をコントロールするが、これは必要というわけではない。データは好ましくはディスプレイ１１６上に示される。
図２Ａは、一実施形態に従うマイクロ流体デバイスの透視像を例示している。具体的には、図２Ａに示されている通り、デバイス２００（参照数字１０２ともまた言われる）は、好ましくは、一実施形態に従う分岐したマイクロチャネルデザイン２０３を有するボディ２０２を包含する。ボディ２０２はエラストマ系素材から作られ得るが、ボディは代替的に非エラストマ系素材またはエラストマ系および非エラストマ系素材の組み合わせから作られ得る。マイクロチャネルデザイン２０３が単に例示的であり、図２Ａに示されている構成に限定されないということは注意されるべきである。
ボディ２０２は、リジッド素材、エラストマ系素材、またはその組み合わせから作製され得る。本明細書において用いられる、用語「リジッド」は、硬く、容易には曲がらないか、または圧力がそれに加えられた後にその元々の形態に非常に近く維持する素材を言う。本明細書において用いられる用語「エラストマ系」は、本明細書において定められるリジッドではない素材またはコンポジット素材を言う。エラストマ系素材は一般的にモールド可能且つ硬化性であり、弾性特性を有し、これは、機械的な力または圧力にさらされたときに素材が少なくとも部分的に変形し（例えば、引き伸ばし、膨張、収縮、引き戻し、圧縮、ねじり、および／または曲げ）、機械的な力または圧力の不在下においてその元々の形態または位置を部分的にまたは完全に回復することを可能にする。一部の実施形態において、用語「エラストマ系」は、フレキシブル／引き伸ばし可能であるが、圧力がそれに加えられてその後取り除かれた後にその元々の形態または位置を回復しない素材をもまた言い得る。用語「エラストマ系」および「フレキシブル」は本明細書において交換可能に用いられる。
一部の実施形態において、ボディ２０２または少なくとも気体状および／もしくは液体状流体と接触しているボディ２０２の部分を作るために用いられる素材は、生体適合性ポリマまたはポリマブレンド（ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリウレタン、ポリイミド、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレン（ＳＥＢＳ）、ポリプロピレン、またはそのいずれかの組み合わせを包含するが、これに限定されない）から好ましくは作られる。本明細書において用いられる、用語「生体適合性」は、対象の生体組織内にインプラントもしくはそれに隣接して置かれたときにはっきりとは劣化せず、有意な免疫応答または有害な組織反応（例えば、毒性反応または有意な痛み）を経時的に誘導しないか、または血液と接触をしたときに血栓もしくは凝血を誘導しない、いずれかの素材を言う。
一部の実施形態において、ボディ２０２はスチレン系ブロックコポリマを含む組成物から作製されるエラストマ系部分を含み得る（例えば、２０１３年１２月２０日出願の米国仮出願第６１／９１９，１８１号、および代理人整理番号００２８０６−０７７５５１を有する２０１４年１２月１９日に本願と同時に出願された「Organomimetic devices and methods of use and manufacturing thereof」と題する対応するＰＣＴ出願に記載されている通り。本明細書に記載されるデバイスに取り入れられ得、その内容は参照によって本明細書に組み込まれる）。一部の実施形態において、スチレン系ブロックコポリマを含む組成物はＳＥＢＳおよびポリプロピレンを含み得る。
追加してまたは代替的に、ボディ２０２の少なくとも一部分は、ガラス、ケイ素、硬質プラスチック、金属、またはそのいずれかの組み合わせのような非フレキシブルまたはリジッド素材から作られ得る。
膜２０８は、ボディ２０２と同じ素材またはデバイスのボディ２０２とは異なる素材から作られ得る。一部の実施形態において、膜２０８はリジッド素材から作られ得る。一部の実施形態において、膜は熱可塑性のリジッド素材である。膜の作製のために用いられ得るリジッド素材の例は、ポリエステル、ポリカーボネート、またはその組み合わせを包含するが、これに限定されない。一部の実施形態において、膜２０８はフレキシブルな素材（例えばＰＤＭＳだが、これに限定されない）を含み得る。
一部の実施形態において、デバイスのボディおよび／または膜は、細胞外マトリックスポリマ、ゲル、および／または足場を含むかまたはそれからなり得る。いずれかの細胞外マトリックスが本明細書において用いられ得、絹、キトサン、エラスチン、コラーゲン、プロテオグリカン、ヒアルロン酸、コラーゲン、フィブリン、およびそのいずれかの組み合わせを包含するが、これに限定されない。
図２Ａのデバイスはアクセスポート２０５の複数を包含し、これは下でより詳細に記載される。追加して、分岐した構成２０３は組織−組織界面シミュレーション領域（図２Ｂ中の膜２０８）を包含し、そこで細胞挙動ならびに／または気体、ケミカル、分子、微粒子、および細胞の通過がモニタリングされる。図２Ｂは、一実施形態に従う臓器模倣デバイスの分解像を例示している。具体的には、デバイス２００の外側ボディ２０２は、好ましくは第１の外側ボディ部分２０４、第２の外側ボディ部分２０６、および中間の膜２０８（部分２０４、２０６が互いにマウントされてボディ全体を形成するときに、第１のおよび第２の外側ボディ部分２０４、２０６の間にマウントされるように構成されている）からなる。
第１の外側ボディ部分２０４は、部分的にメソチャネル２５０Ａの高さに依存していずれかの寸法の厚みを有し得る。一部の実施形態において、第１の外側ボディ部分２０４の厚みは約１ｍｍから約１００ｍｍ、または約２ｍｍから約７５ｍｍ、または約３ｍｍから約５０ｍｍ、または約３ｍｍから約２５ｍｍであり得る。１つの実施形態において、第１の外側ボディ部分２０４の厚みは約４．８ｍｍであり得る。一部の実施形態において、第１の外側ボディ部分２０４は、５００ミクロン以下、４００ミクロン以下、３００ミクロン以下、２００ミクロン以下、１００ミクロン以下、７０ミクロン以下、またはより少しだけメソチャネルの高さよりもある厚みを有し得る。一部の実施形態においては、膜上の細胞が顕微鏡、分光的、および／または電気的検知方法によって可視化または検出され得るように、第１の外側ボディ部分２０４を可能な限り薄く保つことが望ましい。
第２の外側ボディ部分２０６は、部分的にマイクロチャネル２５０Ｂの高さに依存していずれかの寸法の厚みを有し得る。一部の実施形態において、第２の外側ボディ部分２０６の厚みは約５０μｍから約１０ｍｍ、または約７５μｍから約８ｍｍ、または約１００μｍから約５ｍｍ、または約２００μｍから約２．５ｍｍであり得る。１つの実施形態において、第２の外側ボディ部分２０６の厚みは約１ｍｍから約１．５ｍｍであり得る。１つの実施形態において、第２の外側ボディ部分２０６の厚みは約０．２ｍｍから約０．５ｍｍであり得る。一部の実施形態において、第２の外側ボディ部分２０６は、５００ミクロン以下、４００ミクロン以下、３００ミクロン以下、２００ミクロン以下、１００ミクロン以下、７０ミクロン以下、またはより少しだけマイクロチャネルの高さよりもある厚みを有し得る。一部の実施形態においては、膜上の細胞が顕微鏡、分光的、および／または電気的検知方法によって可視化または検出され得るように、第２の外側ボディ部分２０６を可能な限り薄く保つことが望ましい。
図２Ｂは、一実施形態に従うデバイスの分解像を例示している。図２Ｂに示されている通り、第１の外側ボディ部分２０４は、ボディ２０２の外表面上に配置された１つ以上の対応する入口開口部２１１と連通した１つ以上の入口流体ポート２１０を包含する。デバイス１００は好ましくは流体供給源１０４に入口開口部２１１を介して接続され、流体が流体供給源１０４からデバイス１００内に入口流体ポート２１０を通って進む。
追加して、第１の外側ボディ部分２０４は、ボディ２０２の外表面上の１つ以上の対応する出口開口部２１５と連通した１つ以上の出口流体ポート２１２を包含する。具体的には、デバイス１００を通過する流体は、対応する出口開口部２１５を通ってデバイス１００から流体コレクタ１０８または他の適切なコンポーネントに出る。デバイス２００は、流体ポート２１０が出口であり、流体ポート２１２が入口であるようにセットアップされ得るということは注意されるべきである。
一部の実施形態において、図２Ｂおよび２Ｈに示されている通り、デバイス２００は入口流体ポート２１０を主チャネル２３０に接続する入口チャネル２２５を含み得る。入口チャネルおよび入口ポートは、細胞、因子（例えば刺激因子、薬物候補、微粒子だが、これに限定されない）、空気流、および／または細胞培養培地をメソチャネル２５０Ａおよびマイクロチャネル２５０Ｂ内に導入するために用いられ得る。
本明細書に記載される主および操作用チャネルは一般的に直線として示されている。しかしながら、チャネルが実質的に直線であり得るか、またはそれらが非直線であり得るということは理解されるべきである。それゆえに、本発明の概念は真っ直ぐなまたは直線のチャネルに限定されず、湾曲した、折れ曲がった、または別様に非直線のチャネル、例えば主チャネルおよび／または操作用チャネル（単数または複数）を含み得る。チャネル（例えば、主チャネルおよび／または操作用チャネル（単数または複数））の第１の部分が真っ直ぐであり得、同じチャネルの第２の部分が湾曲して、折れ曲がって、または別様に非直線であり得るということはさらに理解されるべきである。一般的に、非直線チャネルは少なくとも１つの（例えば、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、またはより多くの）湾曲したまたは折れ曲がった区間を含む。非直線チャネルは少なくとも１つの（例えば、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、またはより多くの）実質的に直線の区間をもまた含み得る。
一般的に、非直線区間は、約５°から約１７５°の範囲の湾曲または折れ曲がりを有する。一部の実施形態において、非直線区間は約８０°から約１００°の湾曲または折れ曲がりを含む。一部の実施形態において、非直線区間は、互いに実質的に平行である２つの実質的に直線の区間を連結する。一部の実施形態において、非直線区間は、互いに対して実質的に垂直である２つの実質的に直線の区間を連結する。一部の実施形態において、非直線区間は、互いに対して直角よりも小さい角度で位置する２つの実質的に直線の区間を連結する。一部の実施形態において、非直線区間は、互いに対して直角よりも高い角度で位置する２つの実質的に直線の区間を連結する。
図２３は、非直線主チャネル（２３０）および操作用チャネル２５２を含むデバイス２００の一実施形態を例示している。主チャネル２００は、主チャネルの２つの直線区間（２９０）を一つに連結する１つ以上の非直線区間（２８０）を含む。理論によって束縛されようとするわけではないが、非直線主チャネルは培養面積対チップ面積の比を増大させ得、それによって、細胞が育つためのより大きい表面積を提供する。これは、主チャネル内の細胞のより高い量または密度をもまた許し得る。
一部の実施形態において、デバイスは非直線主チャネルを含み、メソチャネルの高さは約１ｍｍであり、マイクロチャネルの高さは約２００μｍである。このデバイスの一部のさらなる実施形態において、操作用チャネルの高さは約５００μｍである。一部の実施形態において、操作用チャネルの高さは、メソチャネルもしくはマイクロチャネルの高さ、またはメソチャネルおよびマイクロチャネルの組み合わされた高さよりも大きくあり得る。
デバイス２００は、出口流体ポート２１２を主チャネル２３０に接続する出口チャネル２２７をもまた含み得る。出口チャネルおよび出口ポートは、細胞、因子（例えば刺激因子、薬物候補、微粒子だが、これに限定されない）、空気流、および／または細胞培養培地をメソチャネル２５０Ａおよびマイクロチャネル２５０Ｂ内に導入するためにもまた用いられ得る。
入口および出口開口部２１１、２１５はボディ２０２の上側表面に示されており、入口および出口チャネル２２５、２２７に対して垂直に配置されているが、開口部２１１、２１５の１つ以上は、ボディの１つ以上の横表面に配置され得、その結果、入口ならびに出口開口部２１１、２１５の少なくとも１つは、それぞれ入口および／もしくは出口チャネル２２５、２２７と面内にあり、ならびに／または入口および／もしくは出口チャネル２２５、２２７の平面から或る角度で定位され得る。例えば、図２Ｃは、１つの実施形態に従うボディの横表面に構成された入口および出口開口部を有するデバイスの透視像を示している。入口および出口開口部をボディの横表面に置くことによって、入口チャネル２３１および出口チャネル２３３は、９０度よりも小さい角度（例えば、１０度と５０度との間の範囲である）をメソチャネル２５０Ａおよび／またはマイクロチャネル２５０Ｂと形成し得る。１つの実施形態において、入口チャネル２３１および出口チャネル２３３はメソチャネル２５０Ａおよび／またはマイクロチャネル２５０Ｂと約２５度の角度を形成し得る。１つの実施形態において、入口チャネル２３１および出口チャネル２３３はメソチャネル２５０Ａおよび／またはマイクロチャネル２５０Ｂと約４５度の角度を形成し得る。これらの折れ曲がった構成は、ポートにおける細胞播種プロセス後の細胞の蓄積および／または細胞プラグの形成を低減するかまたは防ぎ得る。追加して、ボディの横表面上の入口および出口開口部２１１、２１５のデザインは、メソチャネルおよびマイクロチャネル両方へのアクセスを許し得る。それらは、例えば、下側チャネル内のマイクロインジェクションチップによって気泡を取り除き、細胞にアクセスし、細胞を傷つけ、および／またはデバイス内に新たな細胞型を注入するために用いられ得る。
一実施形態において、入口流体ポート２１０および出口流体ポート２１２はメソチャネル２５０Ａと連通し（図２Ｄ参照）、その結果、流体が入口流体ポート２１０から出口流体ポート２１２までメソチャネル２５０Ａを通って、マイクロチャネル２５０Ｂからは独立して動的に進み得る（図２Ｄ参照）。
別の実施形態において、入口および出口流体ポートの間を通過する流体は、メソチャネル２５０Ａとマイクロチャネル２５０Ｂとの間で共有され得る。いずれの実施形態においても、メソチャネル２５０Ａをとおして通過する流体の流れの特徴、例えば流量、流体の型および／または組成、ならびに同様のものは、マイクロチャネル２５０Ｂを通る流体の流れの特徴から独立してコントロール可能であり得、逆もまた同様である。
１つの実施形態において、第１の部分２０４は１つ以上の圧力入口ポート２１４および１つ以上の圧力出口ポート２１６を包含し、入口ポート２１４はデバイス１００の外表面上に配置された対応する開口部２１７と連通する。入口開口部および出口開口部はボディ２０２の上側表面上に示されているが、開口部の１つ以上は代替的にボディの１つ以上の横側に配置され得る。作動の際には、外力供給源（例えば、圧力供給源）１１８に接続された１つ以上の圧力管（示されていない）が（図１）、開口部２１７を介してデバイスへの陽または陰圧を提供する。追加して、圧力管（示されていない）がデバイス１００に接続されて、開口部２２３を通して出口ポート２１６から加圧された流体を取り出す。圧力ポート２１４が出口であり、圧力ポート２１６が入口であるようにデバイス２００がセットアップされ得るということは注意されるべきである。圧力開口部２１７、２２３はボディ２０２の上側表面上に示されているが、圧力開口部２１７、２２３の１つ以上がボディ２０２の１つ以上の側部表面上に配置され得るということは注意されるべきである。
図２Ｂを参照すると、第２の部分２０６は１つ以上の入口流体ポート２１８および１つ以上の出口流体ポート２２０を包含する。図２Ｂに示されている通り、入口流体ポート２１８は開口部２１９と連通し、出口流体ポート２２０は開口部２２１と連通し、それによる開口部２１９および２２１は第２の外側ボディ部分２０６の外表面上に配置される。入口開口部および出口開口部はボディ２０２の表面上に示されているが、開口部の１つ以上が代替的にボディの１つ以上の横側に配置され得、例えば図２Ｃに示されている通りである。
上に記載された第１の外側ボディ部分２０４と同様に、流体供給源１０４（図１）に接続された１つ以上の流体管が好ましくは開口部２１９につながれて、ポート２１８を通ってデバイス１００に流体を提供する。追加して、流体は出口ポート２２０を通ってデバイス１００を出て、開口部２２１から流体リザーバ／コレクタ１０８または他のコンポーネントに行く。デバイス２００が、流体ポート２１８が出口であり且つ流体ポート２２０が入口であるようにセットアップされ得るということは注意されるべきである。
１つの実施形態において、第２の外側ボディ部分２０６は１つ以上の圧力入口ポート２２２および１つ以上の圧力出口ポート２２４を包含する。具体的には、圧力入口ポート２２２が開口部２２７と連通し、圧力出口ポート２２４が開口部２２９と連通し、それによる開口部２２７および２２９は第２の部分２０６の外表面上に配置されるということが好ましい。入口開口部および出口開口部はボディ２０２の下側表面上に示されているが、開口部の１つ以上が代替的にボディの１つ以上の横側に配置され得る。外力供給源（例えば、圧力供給源）１１８（図１）に接続された圧力管が、対応する開口部２２７および２２９を介してポート２２２および２２４と係合し得る。圧力ポート２２２が出口であり、流体ポート２２４が入口であるようにデバイス２００がセットアップされ得るということは注意されるべきである。
下に記載される操作用チャネル（例えば、図２Ｄに示されている２５２）が必須ではない一部の実施形態において、第１の部分２０４はいずれかの圧力入口ポート２１４、圧力出口ポート２１６を要求しない。類似に、第２の部分２０６はいずれかの圧力入口ポート２２２または圧力出口ポート２２４を要求しない。
一実施形態において、膜２０８は第１の部分２０４と第２の部分２０６との間にマウントされ、それによって、膜２０８はデバイス２００のボディ２０２内に配置される（図２Ｄ参照）。一実施形態において、膜２０８は、それをとおして細孔または開口部の複数を有する素材から作られ、それによって、分子、細胞、流体、またはいずれかの媒体が膜２０８中の１つ以上の細孔を通って膜２０８を通過できる。下でより詳細に論じられる通り、膜２０８は、１つの実施形態において、膜２０８が外力（例えば、周期的な引き伸ばしまたは圧力）に応答してストレスおよび／または歪みを受けることを許す素材から作られ得る。１つの実施形態において、膜２０８は、膜２０８がメソチャネル２５０Ａ、マイクロチャネル２５０Ｂ、および操作用チャネル２５２の間に存在する圧力差に応答してストレスおよび／または歪みを受けることを許す素材から作られ得る。代替的に、膜２０８は比較的非弾性またはリジッドであり、媒体が主サブチャネル２５０Ａ、２５０Ｂの１つ以上を通過させられている、および／または細胞が組織化して膜を通って主サブチャネル２５０Ａ、２５０Ｂ間を動いている間に、膜２０８は最小限しかまたは全く動きをしない。
図２Ｅを参照して、線Ｃ−Ｃ（図２Ｂから）においてとられたボディの第１の外側部分２０４の組織−組織界面領域の透視像を例示する。図２Ｅに示されている通り、組織−組織界面領域２０７Ａの上側部分は第１の部分２０４のボディ内にあり、主チャネル２３０の上側部分（メソチャネル２５０Ａ）とメソチャネル２５０Ａに隣接して配置された１つ以上の上側部分側操作用チャネル２５２Ａとを包含する。チャネル壁２３４、２４４は好ましくは主チャネル２３０を操作用チャネル２５２から分離し、その結果、主チャネル２３０を進む流体は操作用チャネル２５２内に入り込まない。同様に、チャネル壁２３４、２４４は、操作用チャネル２５２に沿って通過する加圧された流体がメソチャネル２５０Ａに入ることを防ぐ。一対の操作用チャネル２５２が図２Ｄにおいて主チャネル２３０の反対の側に示されている。しかしながら、デバイスが２つよりも多くの操作用チャネル２５２を組み込み得るということは注意されるべきである。一部の実施形態において、デバイス２００は１つの操作用チャネル２５２のみを主チャネル２３０に隣接して包含し得る。
図２Ｆは、ボディの第２の外側部分２０６の線Ｄ−Ｄにおいてとられた組織界面領域の透視像を例示する。図２Ｆに示されている通り、組織界面領域は、主チャネル２３０の下側部分（マイクロチャネル２５０Ｂ）と、マイクロチャネル２５０Ｂに隣接して配置された操作用チャネル２５２Ｂの少なくとも２つの下側部分とを包含する。一対のチャネル壁２３４、２４４は好ましくは主チャネル２３０を操作用チャネル２５２から分離し、その結果、主チャネル２３０をとおして進む流体は操作用チャネル２３２内に入り込まない。同様に、チャネル壁２３４、２４４は、操作用チャネル２３２に沿って通過する加圧された流体が主チャネル２３０に入ることを防ぐ。
主チャネル２３０は、応用（例えば、モデリングされるべき生理システム）の要求、デバイスの望ましいサイズ、および／または視野の望ましいサイズに適した長さを有し得る。一部の実施形態において、主チャネル２３０は約０．５ｃｍから約１０ｃｍの長さを有し得る。１つの実施形態において、主チャネル２３０は約１ｃｍから約２ｃｍの長さを有し得る。
図２Ｅおよび２Ｆに示されている通り、主チャネル２３０の上側部分および下側部分は、それぞれ、２００ミクロンと１０ｍｍとの間、または２００ミクロンと１５００ミクロンとの間、または４００ミクロンと１０００ミクロンとの間、または５０と２０００ミクロンとの間の幅寸法（Ｂとして示されている）の範囲を有する。一部の実施形態において、本明細書に記載されるデバイスの寸法は、液体培養において液面下にある間に、上皮細胞に対する低剪断ストレスを提供するように構成され得る（これは、爾後に空気−液体界面（ＡＬＩ）誘導に供され得る）。例えば、一部の実施形態において、チャネル（メソチャネルおよびマイクロチャネル）の幅は、少なくとも４００μｍもしくはそれよりも大きく、またはそれよりもあり得、例えば、少なくとも５００μｍもしくはそれよりも大きい、少なくとも６００μｍもしくはそれよりも大きい、少なくとも７００μｍもしくはそれよりも大きい、少なくとも８００μｍもしくはそれよりも大きい、少なくとも９００μｍもしくはそれよりも大きい、少なくとも９５０μｍもしくはそれよりも大きい、またはそれよりもっとを包含する。１つの実施形態において、主チャネルの上側部分および下側部分（２５０Ａメソチャネルおよび２５０Ｂマイクロチャネル）は、４００μｍよりも大きい幅寸法をそれぞれ有する。１つの実施形態において、主チャネルの上側部分および下側部分（２５０Ａメソチャネルおよび２５０Ｂマイクロチャネル）はそれぞれ約１ｍｍの幅寸法を有する。デバイス内で模倣されようとする生理的な系の型、および／または主チャネル内に形成されるメソチャネル（単数または複数）／マイクロチャネル（単数または複数）の数に依存して、他の幅寸法（例えば、１０ｍｍよりも大きいかまたは５０ミクロンよりも小さい）が用いられ得るということは注意されるべきであり、これは下でさらに論じられる。それゆえに、一部の実施形態において、主チャネルの幅は４００ミクロンと５０ｍｍとの間、または４００ミクロンと１０ｍｍとの間、または８００ミクロンと５ｍｍとの間、または１００ミクロンと１０ｍｍとの間であり得る。
主チャネル２３０の上側部分が単一のメソチャネル２５０Ａを形成する一部の実施形態において、メソチャネル２５０Ａの幅は主チャネル２３０の本質的に同じ幅である。類似に、主チャネル２３０の下側部分が単一のマイクロチャネル２５０Ｂを形成する一部の実施形態において、マイクロチャネル２５０Ｂの幅は主チャネル２３０の本質的に同じ幅である。
主チャネル２３０の上側部分が少なくとも２つ以上のメソチャネルを形成する（例えば、図２２Ｂに示されている通り）一部の実施形態において、メソチャネル２２５０Ａおよび２２５０Ｂの幅は主チャネル２３０の幅よりも小さい。主チャネル２３０の下側部分が少なくとも２つ以上のマイクロチャネルを形成する一部の実施形態において、例えば、図２２Ａに示されている通り、マイクロチャネル２２６０Ａおよび２２６０Ｂの幅は主チャネル２３０の幅よりも小さい。主チャネル内に形成された複数のメソチャネルおよび／またはマイクロチャネルは、下でさらに詳細に記載される。
一部の実施形態において、２つのチャネルの幅は異なるように構成され得、チャネルの中心は整列しているかまたは整列していない。一部の実施形態において、チャネル高さ、幅、および／または断面は本明細書に記載されるデバイスの長さに沿って変わり得る。
本明細書に記載される一部の実施形態によれば、メソチャネル２５０Ａの少なくとも或る長さ部分（例えば、細胞が育って重層、偽重層、または３次元組織構造を形成することを望まれる長さ部分）の高さは、同じ長さ部分のうちのマイクロチャネル２５０Ｂの高さよりも実質的に大きい。例えば、メソチャネル対マイクロチャネルの高さ比は１：１よりも大きく、例えば１．１：１、１．５：１、２：１、２．５：１、３：１、３．５：１、４：１、４．５：１、５：１、６：１、７：１、８：１、９：１、１０：１、１１：１、１２：１、１３：１、１４：１、１５：１、１６：１、１７：１、１８：１、１９：１、２０：１、２５：１、３０：１、３５：１、４０：１、４５：１、５０：１超を包含する。一部の実施形態において、メソチャネル対マイクロチャネルの高さ比は１．１：１から約５０：１、または約２．５：１から約５０：１、または２．５から約２５：１、または約５：１から約２５：１の範囲であり得る。１つの実施形態において、メソチャネル対マイクロチャネルの高さ比は約１０：１から約２０：１の範囲である。より高いメソチャネルは、低剪断と重層構造および／または３次元組織を形成するためのより多くの空間とを要求する細胞の成長のために、低減されたストレス環境および増大した頭上空間を差し出し得る。
一部の実施形態において、メソチャネル２５０Ａの少なくとも或る長さ部分の高さは、メソチャネルに面する膜上に存在する最も高い細胞（繊毛などの細胞からのいずれかの突起を包含する）または最も厚い細胞に合うために十分であり得る。
一部の実施形態において、メソチャネル２５０Ａの少なくとも或る長さ部分の高さは、１つよりも多くの細胞層（例えば、２つの細胞層、３つの細胞層、４つの細胞層、５つの細胞層、６つの細胞層、またはより多く）の成長を許すために十分な寸法を有し得る。細胞層はそれぞれ機能的および／または形態学的に同じかまたは異なり得る。メソチャネルの高さは、モデリングされるべき生体組織または臓器の少なくとも一部分の厚みによって変わり得る。例えば、一部の実施形態においては、メソチャネル２５０Ａの高さは、繊毛細胞および粘液分泌細胞を含む気道上皮の重層構造（層として配列した細胞を含む構造）を形成するために十分な寸法を有し得、例えば図５Ｂに示されている通りである。一部の実施形態において、メソチャネル２５０Ａの高さは、細気道上皮の重層構造を形成するための十分な寸法を有し得る。一部の実施形態において、メソチャネル２５０Ａは、臓器としての皮膚（例えば、哺乳類または動物皮膚）をモデリングするための皮膚相当物の形成を許すように構成された高さ寸法を有し得る。
一部の実施形態において、メソチャネル２５０Ａの高さは、空気流のための重層／偽重層または３次元構造上の十分な頭上空間を提供するように構成され得、その結果、細胞（例えば、気道または皮膚上皮細胞）に対する空気剪断ストレスは生理的な範囲（例えば、０．０１ダイン／ｃｍ２と１７００ダイン／ｃｍ２との間）に維持され得る。１つの実施形態において、空気流は定常流れに維持され得る。
一部の実施形態において、メソチャネル２５０Ａの高さは、３次元組織の形成のための十分な寸法を有し得る。例えば、メソチャネル２５０Ａの高さは、３次元消化管または腸組織の形成のための十分な寸法を有し得、腸上皮細胞は腸絨毛の構造を要約するひだに育つ。一部の実施形態において、メソチャネル２５０Ａの高さは、液体流のための３次元構造上の十分な頭上空間を提供するように構成され得、その結果、細胞（例えば、腸上皮細胞）に対する液体剪断ストレスは生理的な範囲（例えば、０．０１ダイン／ｃｍ２と１７００ダイン／ｃｍ２との間）に維持され得る。
一部の実施形態において、メソチャネル２５０Ａの高さはメソチャネル２５０Ａの高さ対主チャネル２３０の幅のアスペクト比に依存し得る。メソチャネル２５０Ａの高さ対主チャネル２３０の幅のアスペクト比は、約１：５から約５０：１または約１：１０から約２０：１の範囲であり得る。一部の実施形態において、メソチャネル２５０Ａの高さは約１００μｍから約５０ｍｍ、約１５０μｍから約２５ｍｍ、または約２００μｍから約１０ｍｍの範囲であり得る。一部の実施形態において、メソチャネル２５０Ａの高さは約１００μｍから約５ｍｍ、約１５０μｍから約２．５ｍｍ、または約２００μｍから約２ｍｍの範囲であり得る。１つの実施形態において、メソチャネル２５０Ａの高さは約２２０μｍから約１ｍｍである。１つの実施形態において、メソチャネル２５０Ａの高さは約１００μｍから約５ｍｍである。１つの実施形態において、１ｍｍ幅チャネルについて、メソチャネルの高さは約１００μｍから約２０ｍｍの範囲であり得る。
メソチャネルはメソチャネルの長さに沿って一様な高さを有し得る。代替的に、メソチャネルは、メソチャネルの長さに沿って変わる高さを有し得る。例えば、メソチャネルの或る長さ部分（例えば、重層／偽重層または３次元組織構造がそこに形成されることが望まれるところ）はマイクロチャネルの同じ長さ部分よりも実質的に高くあり得、一方で、メソチャネルの残りは、マイクロチャネルの高さに匹敵するかまたはさらに小さい高さを有し得る。
マイクロチャネル２５０Ｂの高さはいずれかの寸法であり得る。ただし、マイクロチャネル内を流れる媒体の流量および／または剪断ストレスは、生理的な範囲に維持され得るか、もしくは細胞に対するいずれかの有害な効果を引き起こさず、および／またはマイクロチャネルに面する膜の表面上の細胞成長にとって十分な空間があるものとする。例えば、一部の実施形態において、マイクロチャネル２５０Ｂの高さは、血液または細胞培養培地が生理的な流体圧力および／または流量で流れる血管チャネルを模倣するようにデザインされ得る。
従って、一部の実施形態において、マイクロチャネル２５０Ｂの高さはメソチャネル２５０Ａの高さよりも実質的に小さくあり得る。例えば、マイクロチャネルの高さはメソチャネルの高さの約１％から約８０％、または約５％から約７０％、または約１０％から約５０％であり得る。一部の実施形態において、マイクロチャネルの高さはメソチャネルの高さの３０％以下、２０％以下、１０％以下であり得る。一部の実施形態において、マイクロチャネルの高さはメソチャネルの高さの１０％以下である。
代替的な実施形態において、マイクロチャネル２５０Ｂの高さはメソチャネル２５０Ａの高さと実質的に同じであり得る。
一部の実施形態において、マイクロチャネル２５０Ｂの高さは約１μｍから約５ｍｍ、約１０μｍから約５ｍｍ、約２５μｍから２．５ｍｍ、または約５０μｍから約１ｍｍの範囲であり得る。一部の実施形態において、マイクロチャネル２５０Ｂの高さは約２５μｍから約１ｍｍ、約５０μｍから約７５０μｍ、または約７５μｍから約５００μｍの範囲であり得る。１つの実施形態において、マイクロチャネル２５０Ｂの高さは約５０μｍから約１５０μｍである。１つの実施形態において、マイクロチャネル２５０Ｂの高さは約１００μｍから約１６０μｍである。
一部の実施形態において、デバイスのボディは、主チャネル内の膜の機械的調節を提供するようにさらに適応し得る。膜の機械的調節は、膜に加えられる力／圧力に対して平行および／または垂直である膜のいずれかの動きを包含し得、引き伸ばし、曲げ、圧縮、振動、収縮、波打ち、またはそのいずれかの組み合わせを包含するが、これに限定されない。単に例として、図２Ｄは、一実施形態に従うボディ内の細胞培養界面領域の断面像を例示しており、膜はニューマチックな機序によって機械的に調節され得る。圧力がデバイス内で加えられて膜２０８を機械的に調節するこの実施形態において、操作用チャネル（単数または複数）２５２は膜２０８の周りに対称的に配列され得る。例えば、操作用チャネル（単数または複数）２５２Ａの上側半分が上側ボディ部分２０４の下側表面に形成され、操作用チャネル（単数または複数）２５２Ｂの下側半分が下側ボディ部分２０６の上側表面に形成され、その結果、２つのボディ部分２０４および２０６が互いに嵌合され、膜２０８がメソチャネル２５０Ａとマイクロチャネル２５０Ｂとの間に位置し、それによって、側壁２２８および２３８、さらにはチャネル壁２３４、２４４が全体の主チャネル２３０および操作用チャネル２５２を形成するときには、膜２０８に沿った平面２０８Ｐは操作用チャネル（単数または複数）２５２を二分して操作用チャネル（単数または複数）２５２Ａおよび２５２Ｂの上側半分および下側半分にし得る。
操作用チャネル２５２の幅はいずれかの寸法であり得る。ただし、操作用チャネル２５２の高さ対幅のアスペクト比は、十分な機械的な力が膜に加えられることを許し、および／または周期的な圧力の加えに耐えるための十分な機械的強度を生むものとする。一部の実施形態において、操作用チャネル２５２の幅は約１００μｍから約５ｍｍまたは約２００μｍから約２ｍｍの範囲であり得る。
一部の実施形態において、例えば図２Ｄに示されている通り、操作用チャネル２５２の高さは主チャネル２３０の高さよりも小さくあり得る。一部の実施形態において、操作用チャネル２５２の高さは主チャネル２３０の高さの７０％以下であり得、例えば、主チャネル２３０の高さの６０％以下、５０％以下、４０％以下、３０％以下、２０％以下、またはより少しを包含する。一部の実施形態において、操作用チャネル２５２の高さはマイクロチャネル２５０Ｂの高さの約１．５倍から約２．５倍であり得る。一部の実施形態において、操作用チャネル２５２の高さは約２０μｍから約１０ｍｍ、約５０μｍから５ｍｍ、または約１００μｍから約２ｍｍの範囲であり得る。一部の実施形態において、操作用チャネル２５２の高さは約５０μｍから約２ｍｍ、約１００μｍから約１．５ｍｍ、または約１５０μｍから約１０００μｍの範囲であり得る。１つの実施形態において、操作用チャネル２５２の高さは約１００μｍから約３００μｍである。１つの実施形態において、操作用チャネル２５２の高さは約２００μｍから約８００μｍである。
一部の実施形態において、例えば図２４Ａ〜２４Ｂに示されている通り、操作用チャネル２４５２の高さは主チャネル２４３０の高さよりも大きくあり得る。一部の実施形態において、操作用チャネル２４５２の高さは主チャネル２４３０の高さよりも少なくとも約５％だけ大きくあり得、例えば、少なくとも約１０％、少なくとも約２０％、少なくとも約３０％、少なくとも約４０％、少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、少なくとも約７０％、少なくとも約８０％、少なくとも約９０％、少なくとも約９５％、またはより多くを包含する。一部の実施形態において、操作用チャネル２４５２の高さは主チャネル２４３０の高さよりも少なくとも約１．１倍だけ大きくあり得、例えば、少なくとも約１．５倍、少なくとも約２倍、少なくとも約３倍、少なくとも約４倍、少なくとも約５倍、少なくとも約６倍、またはより高くを包含する。一部の実施形態においては、主チャネルの高さよりも大きい操作用チャネルの高さを有することが望ましくあり得る。理論によって束縛されようとするわけではないが、操作用チャネルの高さを増大させることは、一般的に、操作用チャネルと主チャネルとの間のチャネル壁のより大きい表面積を提供し（例えば、図２４Ａ〜２４Ｂに示されている２４３４および２４４４）、これは、翻って、操作用チャネルと主チャネルとの間の圧力差に応答して伸縮するべきチャネル壁に作用するより大きい力を許し得る。一部の実施形態において、より大きい力がチャネル壁に作用させられるときには、操作用チャネルと主チャネルとの間のより厚いチャネル壁が用いられ得る。
一部の実施形態において、操作用チャネルの高さは主チャネルの高さと実質的に同じであり得る。
図２Ｅおよび２Ｆを例として用いて、一部の実施形態において、操作用チャネルの上側部分および下側部分（２５２Ａおよび２５２Ｂ）はそれぞれ２５と５０００ミクロンまたは２００ミクロンと２０００ミクロンとの間の幅寸法（Ａとして示されている）を有し得るが、例えば、膜に加えられる機械的な力の量に依存して他の幅寸法が用いられ得る。図２Ｅおよび２Ｆは、デバイス内の主チャネル高さの少なくとも一部分に沿って一様な幅寸法（Ｂとして示されている）を示している一方で、主チャネルは、デバイス内のその高さの少なくとも一部分に沿って非一様な幅寸法Ｂをもまた有し得る。
チャネル壁２３４、２４４は、操作用チャネルと主チャネル２３０との間の圧力差に応答してチャネル壁が伸縮することを許すであろういずれかの厚みを有し得る。一部の実施形態において、チャネル壁２３４、２４４は５ミクロンから５００ミクロンの間の厚み範囲を有し得るが、壁に用いられる素材、デバイスが用いられる用途に依存して他の幅寸法が用いられ得る。１つの実施形態において、チャネル壁２３４、２４４は５０ミクロンからの５００ミクロンの間または７０ミクロンと３００ミクロンとの間の厚み範囲を有し得る。
膜２０８は、図２Ｄに示されている主チャネル２３０内においてｘ−ｙ平面に平行な平面２０８Ｐに沿って定位されている。１つの膜２０８が主チャネル２３０内に示されているが、下でより詳細に論じられる通り、１つよりも多くの膜２０８が主チャネル２３０内に構成され得るということは注意されるべきである。主チャネル２５０内に位置することに追加して、膜２０８はデバイスの形成の間にチャネル壁２３４、２４４によって正しい位置にサンドイッチされる。
一部の実施形態において、膜２０８は主チャネル２５０を区分して２つ以上の別個の主サブチャネル２５０Ａおよび２５０Ｂにし得、それらの少なくとも１つはメソチャネル２５０Ａである。
下でさらに詳細に論じられる通り、膜２０８は非多孔質であり得るか、または、細胞および／もしくは分子がそれを通過することを許すために十分に多孔質である少なくとも一部分を有し得る。膜２０８はリジッドまたはフレキシブルであり得る。一部の実施形態において、膜２０８はリジッドな多孔質膜である。他の実施形態において、膜２０８はフレキシブルな多孔質膜である。膜２０８の少なくとも一部分は、膜２０８が１つ以上の平面軸に沿って引き伸ばされる／引き戻されるように操作されることを許す弾性または展延性特性を有し得る。それゆえに、一部の実施形態において、膜２０８の１つ以上の部分は多孔質且つ弾性、または多孔質だが非弾性であり得る。一部の実施形態において、膜２０８は非多孔質且つ弾性、または非多孔質だが非弾性であり得る。
圧力差がデバイス内において加えられて、ｘ−ｙ平面に沿った膜２０８の相対的な連続的な膨張および収縮を引き起こし得る。具体的には、上述の通り、１つ以上の圧力供給源が、加圧された流体（例えば、空気）を１つ以上の操作用チャネル２５２に沿って加え得、それによって、操作用チャネル２５２内の加圧された流体はチャネル壁２３４、２４４上に圧力差を作り出す。
図２Ｄに示されている実施形態において、加圧された流体は、操作用チャネル２５２をとおしてのみ加えられるバキュームまたは吸引力である。チャネル壁２３４、２４４に対する吸引力によって引き起こされる圧力の違いは、壁２３４、２４４がデバイス２２８、２３８の側部に向かって外向きに曲がるかまたは膨らむことを引き起こす（図２Ｅ〜２Ｆ参照）。膜２０８がチャネル壁２３４、２４４にマウントされてその間にサンドイッチされるということを考えると、壁２３４、２４４の相対的な動きは、それによって、膜の反対の末端が壁と一緒に動いて膜の平面に沿って引き伸ばされることを引き起こす。この引き伸ばしは、組織−組織界面によって（例えば、呼吸の間の気道または気管支において）経験される機械的な力を模倣し、それゆえに組織構造への細胞の自己アセンブリおよび細胞挙動にとって意味のある制御を提供する。
陰圧がもはや加えられていない（および／または陽圧が操作用チャネルに加えられる）ときには、操作用チャネル２５２と主チャネル２３０との間の圧力差は減少し、それらのニュートラルな位置または陰圧の加えに先立つそれらの元々の位置に向かってチャネル壁２３４、２４４は引き戻される。作動の間に、陰圧はデバイス２００に定時インターバルで交互に加えられて、その平面に沿った膜２０８の連続的な膨張および収縮を引き起こし、それによって、生体臓器の組織−組織界面の作動に関連する運動（例えば呼吸、蠕動、または心臓鼓動だが、これに限定されない）によって生ずる歪みと実質的に同じである生理的な歪みを、コントロールされたインビトロ環境内でシミュレーションする。論じられるであろう通り、コントロールされた環境内におけるこの模倣臓器の作動は、異なる対応する臓器に関連する疾患モデルの開発を許す。例えば、本明細書に記載されるデバイスは気道または気管支における呼吸運動をシミュレーションするために用いられ得、それゆえに、呼吸および気道狭窄（例えば喘息および慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ））に関連する疾患モデルの開発を許す。一部の実施形態において、デバイスは、他の疾患のモデル（例えば、肺高血圧、放射線傷害、嚢胞性線維症、または空気媒介性疾患、例えばウイルスもしくは細菌感染）をシミュレーションするために用いられ得る（例えば、膜２０８の少なくとも１つのまたは両方の表面上で細胞の適切な型を培養すること、ならびに例えば物理的、化学的、および／または生物学的因子を用いることによって細胞に疾患表現型を誘導することによる）。細胞挙動、さらには膜ならびに関連する第１および第２のマイクロチャネル２５０Ａ、２５０Ｂに関する分子、ケミカル、微粒子、ならびに細胞の通過が、デバイス内でモニタリングされ得る。
本明細書における用語圧力差は、主チャネルと外側操作用チャネルとの間の特定の壁の反対の側同士の圧力の違いに関するということは注意されるべきである。一部の実施形態において、圧力差は、膜２０８の膨張および／または収縮の目標を達成するために数々のやり方で作り出され得る。上述の通り、陰圧（すなわち吸引またはバキューム）が操作用チャネル２５２の１つ以上に加えられ得る。代替的に、膜２０８は、予め負荷されるかまたは予めストレスをかけられて、デフォルトで引き伸ばされた状態にあり得、その結果、チャネル壁２３４、２４４が既に歪んだ構成にある。この実施形態においては、操作用チャネル２５２に加えられる陽圧が圧力差を作り出すであろう。これが、チャネル壁２３４、２４４が主チャネルに向かって内向きに動くことを引き起こして、膜２０８を収縮させる。
別の実施形態においては、陽圧および陰圧の組み合わせが１つ以上の操作用チャネル２５２に加えられて、主チャネル内のその平面に沿った膜２０８の動きを引き起こす。上の実施形態のいずれかにおいては、１つ以上の操作用チャネル２５２内の流体の圧力が、主チャネル（単数または複数）２５０Ａ、２５０Ｂの１つ以上の内の流体（単数または複数）の圧力に関して圧力差が実際に作り出されて、膜２０８の相対的な膨張／収縮を引き起こすようなものであるということが望まれる。例えば、一定の圧力を有する流体が上側主チャネル２５０Ａ内に加えられ得、それによって、下側主チャネル２５０Ｂ内の流体は異なる圧力を有し得る。この例において、１つ以上の操作用チャネル２５２に加えられる圧力は、膜２０８の望まれる膨張／収縮を保証するために、主チャネル２５０Ａ、２５０Ｂのどちらかまたは両方の内の流体の圧力を考慮に入れなくてはならない。
一実施形態においては、圧力差が上側および下側マイクロチャネル２５０Ａ、２５０Ｂの間に存在して、膜２０８の少なくとも一部分が、ｘ−ｙ平面に沿った膨張／収縮に追加して、垂直にｚ方向に引き伸ばされるおよび／または引き戻されることを引き起こすことが可能である。
一実施形態において、膜２０８の膨張および引き戻しは、翻って、機械的な力を接着細胞およびＥＣＭに加え、それらは、組織−組織界面越しのケミカル、分子、微粒子、および／または流体もしくは気体の輸送に影響を及ぼし得る生理的な機械的刺激を模倣し、細胞生理を変改する。操作用チャネル２５２と主チャネル２３０との間の圧力差によって作り出される膜の機械的調節が図２Ｄに示されているが、他の実施形態においては、機械的手段（例えば、マイクロモータまたはアクチュエータ）または膜の動きを引き起こし得るいずれかの手段（１つ以上の磁力の使用を包含する）が使用されて、圧力差の補助または代役をして、主チャネル内の膜の機械的調節を提供して、例えば細胞生理を調節し得るということは注意されるべきである。膜は機械的に調節されて、いずれかの方向に（例えば、平面２０８Ｐ内でおよび／または平面２０８Ｐに対して垂直に）動き得る。一部の実施形態において、膜は機械的に調節されて、単軸に沿って平面２０８Ｐ内でまたはそれに直角に動き得る。代替的な実施形態において、膜は機械的に調節されて、少なくとも２つの所定の軸（例えば平面２０８Ｐを定める軸）に沿って動き得る。膜の機械的調節の他の例の手段（例えば、２０１３年１２月２０日出願の米国仮出願第６１／９１９，１８１号、および代理人整理番号００２８０６−０７７５５１を有する２０１４年１２月１９日に本願と同時に出願された「Organomimetic devices and methods of use and manufacturing thereof」と題する対応するＰＣＴ出願に記載されている通り。その内容は参照によって本明細書に組み込まれる）が、本明細書に記載されるデバイスに取り入れられ得る。
一部の実施形態において、チャネルの１つ以上はチャネルの長さに沿って方向を変化させるように構成され得、例えば湾曲したまたは鋭い折れ曲がりを用いる。これは、膜調節の方向がチャネルの長さに沿って変わることを可能にする手段を提供し得る。
図２Ａ〜２Ｆは、操作用チャンバ２５２（膜２０８の機械的調節のため）を含むデバイス２００を例示している一方で、膜の機械的調節が必須でないところでは（例えば、気道をとおした呼吸がシミュレーションされようとするところでは）、デバイス２００は操作用チャネル２５２を要求しない。例えば、図２Ｇに示されている通り、デバイス２０１は膜２０８によって分離されたメソチャネル２５０Ａおよびマイクロチャネル２５０Ｂを含み、側部の操作用チャンバを有さない。この実施形態においては、膜２０８は機械的に調節される必要がないので、膜はリジッドまたは少なくとも部分的にフレキシブルであり得る。１つの実施形態において、膜２０８はリジッドである。
単に例として、本明細書に記載されるデバイスの一部の実施形態（例えば、図２Ｇに示されている通り）は、ヒト気道の少なくとも一部分（例えば、ヒト細気道または大気道）をモデリングするために用いられ得る。気道の組織構造を模倣するために、解剖学的に意味のある寸法が用いられるべきである。ヒト肺細気道は１ｍｍよりも小さいかまたはそれに等しい半径を有する気道として解剖学的に定められているので、１つの実施形態において、ヒト細気道の少なくとも一部分を模倣するためのデバイス（細気道チップ）は、メソチャネル（「気道内腔」チャネル）がインビボの細気道の半径に対応する高さ（例えば、約１ｍｍよりも小さいかまたはそれに等しい）を有するようにデザインされる。１つの実施形態において、細気道チップは約１ｍｍの高さを有するメソチャネルを有する。
主および操作用チャネル２３０、２５２は実質的に正方形または長方形断面を有することが示されているが、他の断面形状（例えば、円形、卵形、および六角形の）もまた用いられ得るということは注意されるべきである。一部の実施形態において、主チャネル２３０は（例えば、Ｕ形状、多角形形状、または櫛形状の）多角形断面を有し得る。単に例として、図２２Ａ〜２２Ｂに示されている通り、主チャネル２２３０は実質的にＵ形状の断面を有し得る。Ｕ形状の断面は、例えばより広いメソチャネル２２５０（２２５０Ａ、２２５０Ｂ）およびマイクロチャネル２２６０（２２６０Ａ、２２６０Ｂ）内にそれぞれ配設された仕切り壁２２５２または２２６２を有することによって形成され得、仕切り壁は平面２２０８Ｐを横切って配設される。それゆえに、より広いメソチャネル２２５０が分割されて２つ以上のより小さいメソチャネル（２２５０Ａ、２２５０Ｂ）になり得、および／または、より広いマイクロチャネル２２６０が分割されて２つ以上のより小さいマイクロチャネル（２２６０Ａ、２２６０Ｂ）になり得る。図２２Ａは、膜２２０８によって少なくとも２つのマイクロチャネル２２６０Ａおよび２２６０Ｂから分離された少なくとも１つのメソチャネル２２５０を含むデバイス２２００Ａを例示している。図２２Ｂは、膜２２０８によって少なくとも１つのマイクロチャネル２２６０から分離された少なくとも２つのメソチャネル２２５０Ａおよび２２５０Ｂを含むデバイス２２００Ｂを例示している。従って、一部の実施形態において、少なくとも１つ以上の（例えば、１、２、３、４、またはより多くの）仕切り壁がより広いメソチャネルおよび／またはマイクロチャネル内に配設されて、その中に複数のサブチャネルを形成し得（すなわち、より小さいメソチャネルおよび／またはマイクロチャネルを形成する）、仕切り壁が平面２２０８Ｐを横切って配設される。仕切り壁は、どこにそれらが配設されるかに依存して、メソチャネルまたはマイクロチャネルと実質的に同じ高さを有し得る。仕切り壁は、それらが構造的に安定である限りはいずれかの厚みを有し得る。仕切り壁は膜２２０８と流体シールを形成し得、その結果、サブチャネル間に（例えば２２５０Ａおよび２２５０Ｂ、２２６０Ａおよび２２６０Ｂ）流体連通がない。それらの実施形態においては、膜の１つの表面上で別個のサブチャネル内において培養された異なる細胞型が、膜の別の表面上の同じ細胞型（単数または複数）と相互作用し得る。同じかまたは異なる流体が個々のサブチャネル内に導入され得る。
少なくとも１つの仕切り壁が存在するこれらの実施形態において、サブチャネル（例えば、２２５０Ａおよび２２５０Ｂ、または２２６０Ａおよび２２６０Ｂ）の幅は、先に記載された主チャネルの幅よりも小さい。一部の実施形態において、サブチャネルの幅は５０ミクロンと１０ｍｍとの間、または１００ミクロンと５ｍｍとの間、または２００ミクロンと１５００ミクロンとの間、または４００ミクロンと１０００ミクロンとの間、または５０と２０００ミクロンとの間の範囲にあり得る。各サブチャネルは同じかまたは異なる幅を有し得る。
一部の実施形態において、デバイス２００は、２つよりも多いかもしくは少ない操作用チャネル２５２および／または２つよりも多いかもしくは少ない主チャネル２５０Ａ、２５０Ｂを、一実施形態に従って有し得る。
本発明の一部の実施形態によれば、デバイスはカートリッジ内に置かれるかまたはそれに固定され得る。本発明の一部の実施形態によれば、デバイスはカートリッジに一体化され、モノリシックな部分を形成し得る。カートリッジのいくつかの例は２０１３年７月２２日出願の米国出願第６１／８５６，８７６号、２０１２年９月５日出願の米国仮出願第６１／６９６，９９７号、および２０１２年１２月１０日出願の第６１／７３５，２１５号に記載されており、各出願の内容はその全体が参照によって本明細書に組み込まれる。カートリッジは、カートリッジホルダ内に置かれ、それから取り外され得る。カートリッジホルダは、置く際またはその後に流体接続を確立し、取り外しによって流体接続を任意選択でシールし得る。本発明の一部の実施形態によれば、カートリッジは少なくとも１つのセンサを組み込まれるかまたはそれと一体化され得、これは作動の間にカートリッジの特定の部分をとおして流れる流体と直接的または間接的な接触に置かれ得る。本発明の一部の実施形態によれば、カートリッジは少なくとも１つの電気回路または電子回路を（例えば、プリント回路板またはフレキシブル回路のかたちで）組み込まれるかまたはそれと一体化され得る。本発明の一部の実施形態によれば、カートリッジはガスケットエンボス部を含んで流体ルーティングを提供し得る。
本発明の一部の実施形態によれば、本明細書に記載されるカートリッジおよび／またはデバイスはバーコードを含み得る。バーコードは膜上に存在する細胞の型および／またはステータスにユニークであり得る。それゆえに、バーコードは、特定の組織の少なくとも一部分の機能および／または特定の組織特異的な条件を模倣するように適応している各デバイスの識別子として用いられ得る。作動に先立って、カートリッジのバーコードは器械によって読み取られ得、その結果、カートリッジは、適当な流体接続および／または各デバイスの作動の間に得られたデータの適当な関連づけのためにカートリッジホルダ内に置かれ、および／または整列させられ得る。本発明の一部の実施形態によれば、各デバイスから得られるデータは、細胞応答、免疫細胞リクルート、細胞内蛋白質発現、遺伝子発現、サイトカイン／ケモカイン発現、細胞形態、バリアとしての内皮の有効さなどの機能データ、デバイス内に導入される因子の濃度変化、またはそのいずれかの組み合わせを包含するが、これに限定されない。
本発明の一部の実施形態によれば、デバイスは、カートリッジ上のマイクロ流体チャネルまたはポートにデバイスの入口ポートおよび出口ポートのいくつかまたは全てを接続するインターコネクトアダプタによって、カートリッジに接続され得る。いくつかの例のインターコネクトアダプタが、２０１３年６月２６日出願の米国仮出願第６１／８３９，７０２号および２０１４年６月２６日出願の国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１４／０４４４１７号に開示されており、それらのそれぞれの内容はそれらの全体が参照によってここに組み込まれる。インターコネクトアダプタは、本明細書に記載されるデバイスのポートによって受容され得る流体チャネルを有する１つ以上のノズルを包含し得る。インターコネクトアダプタは、カートリッジのポートによって受容され得る流体チャネルを有するノズルをもまた包含し得る。
本明細書に記載される一部の実施形態によれば、インターコネクトアダプタはセプタムインターコネクタを含み得る。これは、デバイスのポートが作動の間に一過的な流体接続を確立することを許し、使用中でないときには流体接続のシールを提供し、それゆえに細胞およびデバイスのコンタミネーションを最小化し得る。セプタムインターコネクタのいくつかの例が２０１３年４月１１日出願の米国仮出願第６１／８１０，９４４号に記載されており、その内容はその全体が参照によって本明細書に組み込まれる。
膜：膜は、多孔質（例えば、透過性または選択的に透過性）、非多孔質（例えば、非透過性）、リジッド、フレキシブル、弾性、またはそのいずれかの組み合わせであり得る。従って、膜２０８は約０％から約９９％の多孔度を有し得る。本明細書において用いられる、用語「多孔度」は、素材中の全ボイド空間（例えば、貫通穴、開口、介在空間、および／または中空導管）の尺度であり、０と１００％との間の（または０と１との間の）パーセンテージとしての、全体積で割った全ボイドの体積の比である。実質的にゼロ多孔度の膜は非多孔質または非透過性である。
本明細書において交換可能に用いられる、用語「非多孔質」および「非透過性」は、いずれかの分子または物質が通過することを許さない素材を言う。
一部の実施形態において、膜は多孔質であり、それゆえに、分子、細胞、微粒子、ケミカル、および／または培地が、メソチャネル２５０Ａとマイクロチャネル２５０Ｂとの間を、膜２０８をとおしてメソチャネル２５０Ａからマイクロチャネル２５０Ｂに、または逆に遊走または移動することを許し得る。
本明細書において用いられる、用語「多孔質」は、一般的に、透過性または選択的に透過性である素材を言う。本明細書において用いられる用語「透過性」は、流体（例えば、液体または気体）、分子、まるごとの生細胞、および／またはまるごとの生細胞の少なくとも一部分の通過を、例えば細胞−細胞接触の形成のために許す素材を意味する。本明細書において用いられる用語「選択的に透過性」は、１つ以上の標的群または種の通過を許すが、非標的群または種に対するバリアとして作用する素材を言う。例えば、選択的に透過性の膜は膜の１つの側から膜の別の側への流体（例えば、液体および／または気体）、栄養、老廃物、サイトカイン、および／またはケモカインの通過を許し得るが、まるごとの生細胞がそれを通過することは許さない。一部の実施形態において、選択的に透過性の膜は一定の細胞型がそれを通過することを許し得るが、他の細胞型は許さない。
個々の物体／種に対する膜の透過性は数々の因子に基づいて決定され得、例えば、膜の素材特性（例えば、細孔サイズおよび／または多孔度）、膜素材と個々の種／物体との間の相互作用および／もしくは親和性、個々の種サイズ、膜の両側の間の個々の種の濃度勾配、個々の種の弾性、ならびに／またはそのいずれかの組み合わせを包含する。
多孔質膜は、膜の２つの表面間を垂直におよび／もしくは横に伸びる貫通穴もしくは細孔開口部（図２Ｂ）、および／または細孔もしくはボイド空間の接続されたネットワーク（これは、例えば開口、介在空間、または中空導管であり得る）をその体積のあちらこちらに有し得る。膜の多孔質性質は、選択された膜素材の固有の物理的特性ならびに／または膜素材への導管、開口部、および／もしくは穴の導入によって寄与され得る。
一部の実施形態において、膜は多孔質の足場またはメッシュであり得る。一部の実施形態において、多孔質の足場またはメッシュは、少なくとも１つの細胞外マトリックスポリマ（例えば、コラーゲン、アルギン酸、ゼラチン、フィブリン、ラミニン、ハイドロキシアパタイト、ヒアルロン酸、フィブロイン、および／またはキトサンだが、これに限定されない）ならびに／またはバイオポリマもしくは生体適合性素材（例えば、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリウレタン、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレン（ＳＥＢＳ）、ポリ（ヒドロキシエチルメタクリレート）（ｐＨＥＭＡ）、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、および／またはデバイスボディの作製のための本明細書に記載されるいずれかの生体適合性素材だが、これに限定されない）から、当分野において公知のいずれかの方法（例えば、エレクトロスピニング、クライオゲル化、消失模型鋳造、および／または３Ｄ印刷を包含するが、これに限定されない）によって作られ得る。例えば、Sun et al. (2012)「Direct-Write Assembly of 3D Silk/Hydroxyapatite Scaffolds for Bone Co-Cultures.」Advanced Healthcare Materials, no. 1: 729-735、Shepherd et al. (2011)「3D Microperiodic Hydrogel Scaffolds for Robust Neuronal Cultures.」Advanced Functional Materials 21: 47-54、およびBarry III et al. (2009)「Direct-Write Assembly of 3D Hydrogel Scaffolds for Guided Cell Growth.」Advanced Materials 21: 1-4を、本明細書に記載されるデバイス内の膜として用いられ得る３Ｄバイオポリマ足場またはメッシュの例について参照。
一部の実施形態において、膜は、スチレン系ブロックコポリマを含む組成物から作製されるエラストマ系部分を含み得る（例えば、２０１３年１２月２０日出願の米国仮出願第６１／９１９，１８１号、および２０１４年１２月１９日に本願と同時に出願された代理人整理番号００２８０６−０７７５５１を有する「Organomimetic devices and methods of use and manufacturing thereof」と題する対応するＰＣＴ出願に記載されている通り。本明細書に記載されるデバイスに取り入れられ得、それらのそれぞれの内容は参照によって本明細書に組み込まれる）。一部の実施形態において、スチレン系ブロックコポリマを含む組成物はＳＥＢＳおよびポリプロピレンを含み得る。
一部の実施形態において、膜は、細胞外マトリックスポリマおよび／もしくはバイオポリマまたは生体適合性素材を含むハイドロゲルまたはゲルであり得る。一部の実施形態において、ハイドロゲルまたはゲルは導管ネットワークを埋め込まれて、例えば流体および／または分子輸送を促進し得る。例えば、Wu et al. (2011)「Omnidirectional Printing of 3D Microvascular Networks.」Advanced Materials 23: H178-H183、およびWu et al. (2010)「Direct-write assembly of biomimetic microvascular networks for efficient fluid transport.」Soft Matter 6: 739-742を、導管ネットワークをゲル素材中に導入する例の方法について参照。
一部の実施形態において、多孔質膜は、少なくとも１つの物体／種（例えば、気体分子）に対して固有に透過性であり、および／または細胞−細胞接触の形成を許す固体の生体適合性素材またはポリマであり得る。一部の実施形態においては、貫通穴または開口部が固体の生体適合性素材またはポリマ中に導入されて、例えば流体／分子輸送および／または細胞遊走を増強し得る。１つの実施形態において、貫通穴または開口部は固体の生体適合性素材に切削またはエッチングされ得、その結果、貫通穴または開口部は膜の２つの表面２０８Ａおよび２０８Ｂの間を垂直におよび／または横に伸びる。追加してまたは代替的に、細孔がスリットまたは他の形状の開口部を膜２０８の少なくとも一部分のどこかに組み込み得、それらが、細胞、微粒子、ケミカル、および／または流体が主チャネルの１つの区間から別へ膜２０８を通過することを許すということもまた注意されるべきである。
膜の細孔（その上側２０８Ａから下側２０８Ｂ表面に膜２０８をとおして伸びる細孔開口部、および／または膜２０８中のボイド空間の接続されたネットワークを包含する）は、いずれかのサイズおよび／または形状の断面を有し得る。例えば、細孔は五角形、円形、六角形、正方形、楕円形、卵形、ひし形、および／または三角形形状を有し得る。
細孔の断面はいずれかの幅寸法を有し得る。ただし、それらは、望まれる分子および／または細胞が膜を通過することを許すものとする。一部の実施形態において、細孔サイズは、膜の１つの側から別への細胞（例えば、免疫細胞および／または癌細胞）の通過を許すように選択され得る。一部の実施形態において、細孔サイズは栄養分子の通過を許すように選択され得る。細胞が空気−液体界面において膜上で培養されるときに、膜の細孔サイズは、「液体」チャネル（またはマイクロチャネル）内に存在する栄養への細胞の十分なアクセスを提供するために十分大きくあるべきである。一部の実施形態において、細孔の幅寸法は、分子、微粒子、および／または流体が膜２０８を通過することを許すが、細胞が膜２０８を通過することを防ぐように選択され得る。一部の実施形態において、細孔の幅寸法は、細胞、分子、微粒子および／または流体が膜２０８を通過することを許すように選択され得る。それゆえに、細孔の幅寸法は、部分的には興味ある細胞、分子、および／または微粒子のサイズに基づいて選択され得る。一部の実施形態において、細孔の幅寸法（例えば、円形の細孔の直径）は、０．０１ミクロンおよび２０ミクロン、または１つの実施形態においては、およそ０．１〜１０ミクロンもしくはおよそ７〜１０ミクロンの範囲にあり得る。しかしながら、一部の実施形態において、幅寸法は上で提供された範囲の外にあり得る。一部の実施形態において、膜２０８は従来の分子／化学濾過デバイスよりも大きい細孔または開口部を有し、これらは、細胞さらには分子が膜２０８を１つのチャネル区間（例えば２５０Ａ）から別のチャネル区間（例えば２５０Ｂ）に、または逆に横切って遊走することを許す。１つの実施形態において、細孔の幅寸法は、膜上に存在する細胞の全ての異なる型ではなく、細胞の選択された型が細孔をとおして遊走するように選択され得る。
多孔質膜が貫通穴または細孔開口部を含む一部の実施形態において、細孔開口部は膜上に（例えば、アレイでもしくは特定のパターンで、または細孔サイズの勾配で）ランダムにまたは一様に分布し得る。１つの実施形態において、細孔開口部は膜上に六角形に配列される。１つの実施形態において、細孔開口部の少なくともいくつかまたは全ては各隣り合う細孔開口部に対して等距離である。この実施形態において、細孔開口部の少なくとも一部または全ては、約１μｍから約１０００μｍ、または約１０μｍから約５００μｍ、または約２０μｍから約１００μｍの中心から中心までの細孔間隔を有し得る。１つの実施形態において、細孔開口部の少なくとも一部または全ては、約２０μｍから約５０μｍの中心から中心までの細孔間隔を有し得る。細孔間の間隔は例えば細胞サイズによって変わり得る。理論によって束縛されようとするわけではないが、より大きい細孔間隔はより大きい細胞（例えば、上皮細胞）に用いられ得、類似に、より小さい細孔間隔はより小さい細胞に用いられ得る。
一実施形態において、多孔質膜２０８がデザインまたは表面パターニングされて、溝および畝などのミクロおよび／またはナノ的パターンをその中に包含し得、それによって、パターンのいずれかのパラメータまたは特徴は望まれるサイズ、形状、厚み、充填素材、および同様のものにデザインされ得る。
メソチャネル２５０Ａおよびマイクロチャネル２５０Ｂに曝露される膜の表面積は、モデリングされるべき臓器または組織の表面積対体積の生理的な比（単数または複数）、メソチャネルおよび／またはマイクロチャネルの体積、細胞分析および／または検出方法、ならびにそのいずれかの組み合わせに依存して変わり得る。メソチャネルおよび／またはマイクロチャネルに曝露される膜の表面積対メソチャネルおよび／またはマイクロチャネルの体積の適当な比（単数または複数）は、デバイスがよりインビボの臓器または組織のように機能し得るということを保証し得、これは翻ってインビトロの結果がインビボのシステムまで外挿されることを許し得る。一部の実施形態において、メソチャネル２５０Ａおよびマイクロチャネル２５０Ｂに曝露される膜の表面積は、モデリングされるべき臓器または組織の表面積対体積の生理的な比（単数または複数）を満たすように構成され得る。一部の実施形態において、膜の表面積は、細胞培養のための十分な空間を提供するように構成され得、例えば、その結果、細胞材料（例えば、蛋白質、ＲＮＡ、分泌されるサイトカインおよび／またはケモカイン）の十分な量が分析（例えば、定量ＰＣＲ、ＥＬＩＳＡ、シーケンシング、および／または質量分析を用いる）のために集められ得る。一部の実施形態において、膜の表面積は、細胞挙動（例えば、免疫細胞リクルートおよび／または遊走だが、これに限定されない）の検査および／またはモニタリングのための十分な空間を提供するように構成され得る。
膜２０８はいずれかの厚みを有し得る。ただし、選択された厚みは細胞挙動および／または応答に有意に影響しないものとする。例えば、一部の実施形態においては、膜の１つの側から別への細胞（例えば、免疫細胞および／または癌細胞）のトランスマイグレーションを有意に遅くするかまたは阻害することをせず、および／または「気道内腔」チャネル」内で育つ細胞の「血管」チャネル内の栄養へのアクセスに影響しないように、膜の厚みが選択され得る。一部の実施形態において、膜２０８の厚みは７０ナノメートルと１００ミクロンとの間、または１ミクロンと１００ミクロンとの間、または１０と１００ミクロンとの間の範囲であり得る。１つの実施形態において、膜２０８の厚みは１０ミクロンと５０ミクロンとの間の範囲であり得る。膜２０８は一般的に全長または幅に渡って一様な厚みを有するが、一部の実施形態においては、膜２０８は、膜２０８中の他の領域よりも小さいかまたは大きい厚みを有する領域を包含するようにデザインされ得る。減少した厚みのエリア（単数または複数）２０９は、膜２０８の全長または幅に沿って延び得、または代替的に、膜２０８の一定の場所のみに配置され得る。減少した厚みのエリアは膜２０８の下側表面（すなわち、マイクロチャネル２５０Ｂに面する）に沿って存在するか、または追加して／代替的に膜２０８の反対の表面（すなわち、マイクロチャネル２５０Ａに面する）上にあり得る。膜２０８の少なくとも部分が膜の残りに対して相対的に１つ以上のより大きい厚みのエリアを有し得、上に記載された減少した厚みエリアと同じ代替を有することができるということもまた注意されるべきである。
膜２０８はリジッドまたはフレキシブルであり得る。一部の実施形態において、膜はリジッド素材（例えばポリカーボネートだが、これに限定されない）から作られ得る。一部の実施形態において、膜は、フレキシブル素材、例えばポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）またはいずれかの他のポリマ化合物もしくは素材から作られ得る。例えば、膜２０８はポリイミド、ポリエステル、ポリカーボネート、環状オレフィンコポリマ、ポリメチルメタクリレート、ナイロン、ポリイソプレン、ポリブタジエン、ポリクロロフェン、ポリイソブチレン、ポリ（スチレン−ブタジエン−スチレン）、ニトリル、ポリウレタン、およびポリシリコーンから作られ得る。ＧＥ−ＲＴＶ６１５ビニルシラン架橋（型）シリコーンエラストマ（ファミリ）が用いられ得る。ポリジメチルシロキサン（Polydimethysiloxane）（ＰＤＭＳ）膜は利用可能であり（ＨＴ−６１３５およびＨＴ−６２４０膜はＢｉｓｃｏＳｉｌｉｃｏｎｓ（イリノイ州エルクグローブ）から）、選択された応用に有用である。素材の選択肢は、典型的には、行われようとする応用のために要求される特定の素材特性（例えば、溶剤抵抗、硬さ、流体透過性、および／または温度安定性）に依存する。マイクロ流体デバイスのコンポーネントの製造に用いられ得る追加のエラストマ系素材はUnger et al. (2000 Science 288:113-116）に記載されている。本デバイスのいくつかのエラストマは振動板として用いられ得、それらの引き伸ばしおよび弛緩特性に追加して、それらの多孔度、透過性、ケミカル抵抗、ならびにそれらの濡れおよびパッシベーション特徴によってもまた選択され得る。他のエラストマはそれらの熱伝導率によって選択される。ＭｉｃｒｏｎｉｃｓＰａｒｋｅｒＣｈｏｍｅｒｉｃｓのＴｈｅｒｍａｇａｐ素材６１−０２−０４０４−Ｆ５７４（０．０２０”厚）はソフトエラストマ（＜５ショアＡ）であり、１．６Ｗ／ｍ−°Ｋの熱伝導率を提供するために５から１０ｐｓｉの圧力しか必要としない。弾性を欠く変形可能なフィルムもまたマイクロ流体デバイスに用いられ得る。絹、架橋ありまたはなしのＥＣＭゲルをもまた他のかかる好適な素材として用いて、本明細書に記載されるデバイスおよび膜を作り得る。
本明細書に記載されるデバイス２００は、異なる細胞プロセスを研究すること（例えば、微粒子の繊毛クリアランス、上皮分化およびサイトカイン産生、炎症性応答だが、これに限定されない）から意味のある疾患モデルを開発すること（例えば、喘息、ＣＯＰＤ、肺高血圧、放射線傷害、嚢胞性線維症、および空気媒介性疾患、例えばウイルス感染または細菌感染だが、これに限定されない）までの範囲の種々の応用のために用いられ得る。デバイス２００または２０１は、底にある内皮、異なる免疫細胞型または白血球型、平滑筋細胞、線維芽細胞などありまたはなしで用いられ得る。例えば、１つの応用において、例えば図２Ｄまたは図２Ｇに示されている通り、本明細書に記載されるデバイスの１つの実施形態を用いて、本発明者はマイクロ流体プラットホーム内におけるヒト初代気道上皮細胞の分化を初めて実証した。
１つの実施形態において、膜２０８は、膜２０８の周期的な引き伸ばしならびに／またはメソチャネルおよびマイクロチャネルの１つもしくは両方どちらかの生体流体（例えば空気、粘液、血液、培養培地）の流れによって生成する生理的な機械的歪みにさらされて、気道および任意選択の底にある毛細血管の自然の微小環境を要約し得る。一実施形態において、膜２０８上の細胞の培養条件は細胞外マトリックス（ＥＣＭ）コーティング、培地灌流、または周期的な機械的歪みの下で最適化されて、共培養された細胞の形態学的および機能的特徴を維持し、膜２０８越しのそれらの直接的な細胞相互作用を許し得る。それゆえに、デバイス２００は、同時に膜上で育てられた気道上皮または内皮細胞の長期的な細胞培養とその隣接した単層の任意選択の動的な機械的引き伸ばしとを許すであろう。
膜２０８上の細胞は、予め決められた生理的エンドポイントに対応する少なくとも１つの特徴を見せ得る。本明細書において用いられる、用語「生理的エンドポイント」は、一定の時点において達されることが望まれる細胞の予め決められた状態を言う。細胞は経時的にデバイス内で同じ生理的エンドポイントに維持され得るか、またはそれらは後の時点においてデバイス内で異なる生理的エンドポイントに達し得る。予め決められた生理的エンドポイントの例は、成熟状態、分化状態、前駆体状態、重層状態、偽重層状態、コンフルエント状態、炎症状態、感染状態、刺激状態、活性化状態、阻害状態、正常な健常状態、疾患特異的な状態、前疾患状態、窮迫状態、成長状態、遊走性状態、３次元状態、またはそのいずれかの組み合わせを包含し得るが、これに限定されない。
本明細書において用いられる、用語「前駆体状態」は、分化して成熟細胞になるケイパビリティを有する細胞を言う。それゆえに、前駆体状態は、部分的にまたは完全に未分化である細胞を言う。一部の実施形態において、前駆体状態の細胞は、脱分化してより原始的な状態になれる部分的に未分化な細胞を包含し得る。一部の実施形態において、用語「前駆体状態」は前駆細胞または幹細胞を言い得る。
本明細書において用いられる、用語「成熟状態」は、特定の組織の完全に分化した細胞を言う。成熟細胞は胎児細胞でも胚性細胞でもなく、配偶子系列ではない。
本明細書において用いられる、用語「分化状態」は、組織特異的な細胞にまで部分的にまたは完全に分化している細胞を言う。完全に分化した細胞は、本明細書において定められる成熟状態にある細胞として考えられ得る。一部の実施形態において、分化した細胞は重層構造を形成し得る。一部の実施形態において、分化した細胞は３−Ｄ構造を形成し得る。
本明細書において用いられる、用語「重層状態」は、１つよりも多くの層、例えば２層、３層、４層、またはより多くとして実質的に配列された細胞を言う。
本明細書において用いられる、用語「偽重層状態」は、一層として存在するが、それらが免疫染色によって可視化されたときには複数の層を形成しているかのように見える細胞を言う。例えば、偽重層上皮は、細胞の一層のみを含むが、異なるレベルに位置したその細胞核を有し、それゆえに細胞重層化の錯覚を作り出す上皮の型である。
本明細書において用いられる、用語「コンフルエント状態」は、細胞による表面積（例えば、細胞増殖のために許された利用可能な膜表面積）の完全なまたはほとんど完全な被覆（少なくともおよそ５０〜６０％の被覆）の状態を言う。
本明細書において用いられる、用語「炎症状態」は、炎症に関連する少なくとも１つの表現型を示す細胞を言う。炎症に関連する例示的な表現型は、免疫細胞（例えば、好中球、単球、リンパ球、樹状細胞、および未成熟マクロファージだが、これに限定されない）の取り付きおよびリクルート、炎症関連分泌型サイトカイン／ケモカインおよび／または細胞内分子の存在または増大した発現、繊毛細胞の減少した数、異常な繊毛形態、杯細胞の増大した割合、増大した粘液分泌、異常な繊毛振動周波数、ならびにそのいずれかの組み合わせを包含するが、これに限定されない。
本明細書において用いられる、用語「感染状態」は、微生物感染（例えば、ウイルス感染、細菌感染、真菌感染、寄生虫感染、および／またはそのいずれかの組み合わせだが、これに限定されない）に関連する少なくとも１つの表現型を示す細胞を言う。微生物感染に関連する例示的な表現型は、感染細胞中の微生物蛋白質（例えば、ウイルス／細菌蛋白質）の存在、感染細胞の上皮の損傷、感染細胞によって分泌されるＣＸＣＬ１０またはＩＬ８などのサイトカイン／ケモカインの上昇したレベル、細胞の抗微生物蛋白質（例えば、抗ウイルス蛋白質、例えばＭＸ蛋白質）の存在、メソチャネル／マイクロチャネルからのエフルエント中の微生物複製、およびそのいずれかの組み合わせを包含するが、これに限定されない。
本明細書において用いられる、用語「活性化状態」は、少なくとも１つの細胞プロセス（例えば遊走能、細胞増殖、蛋白質合成、および／またはサイトカイン分泌だが、これに限定されない）を活性状態に有する細胞を言う。細胞プロセスは、例えば少なくとも１つの遺伝子発現の変化および／または少なくとも１つの蛋白質のリン酸化／脱リン酸化によって成就され得る。
本明細書において用いられる、用語「阻害状態」は、少なくとも１つの細胞プロセス（例えば遊走能、細胞増殖、蛋白質合成、および／またはサイトカイン分泌だが、これに限定されない）を阻害状態に有する細胞を言う。細胞プロセスは、例えば少なくとも１つの遺伝子発現の変化および／または少なくとも１つの蛋白質のリン酸化／脱リン酸化によって成就され得る。
本明細書において用いられる、用語「刺激状態」は、それらに曝露された条件誘導因子に対して反応性である細胞の状態を言う。本明細書において用いられる、用語「条件誘導因子」は、細胞が基底状態（条件誘導因子に対する曝露なし）から逸れた表現型を見せることを引き起こし得るいずれかの因子を言う。条件誘導因子は、細胞に対する細胞毒性効果などの有益なまたは有害な効果を誘起し得る。一部の実施形態において、条件誘導因子の例は、環境因子、例えば放射線（例えば、ガンマ放射線）および機械的ストレス（例えば、流体剪断ストレス）、蛋白質、ペプチド、核酸、抗原、サイトカイン、成長因子、毒素、細胞（原核および真核細胞、例えばウイルス、細菌、真菌、寄生虫、および哺乳類細胞を包含する）、微粒子（例えば、煙粒子またはアスベスト）、粒子（例えば、ナノ粒子またはマイクロ粒子、磁性粒子）、低分子、バイオ医薬品、およびそのいずれかの組み合わせを包含し得るが、これに限定されない。それゆえに、刺激状態は成熟状態、分化状態、前駆体状態、重層状態、偽重層状態、炎症状態、感染状態、活性化状態、疾患特異的な状態、およびそのいずれかの組み合わせを包摂し得る。
本明細書において用いられる、用語「正常な健常状態」は、いずれかの疾患もしくは障害のいずれかの症状なしの、またはいずれかの疾患もしくは障害に関連づけられていない、またはいずれかの物理的、化学的、および／もしくは生物学的処置中でない状態、あるいは顕微鏡検査に基づいて当業者によって健常だと同定される状態を言う。
本明細書において用いられる、用語「疾患特異的な状態」は、疾患、障害、もしくは傷害、またはその異なるステージに関連する少なくとも１つの特徴を要約する細胞の状態を言う。一部の実施形態において、用語「疾患特異的な状態」は、疾患、障害、または傷害の特定のステージまたはグレードを言い得る。疾患、障害、または傷害の例は、いずれかの臓器または組織（例えば、肺、脳、神経ネットワーク、血管−脳関門、血管、腎臓、肝臓、心臓、脾臓、膵臓、卵巣、精巣、前立腺、皮膚、眼、耳、骨格筋、結腸、腸、および食道だが、これに限定されない）に関連し得る。一部の実施形態において、疾患特異的な状態は肺疾患（例えば、喘息、慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ）、肺高血圧、放射線傷害、嚢胞性線維症、またはそのいずれかの組み合わせだが、これに限定されない）に関連し得る。一部の実施形態において、疾患特異的な状態は腸疾患（例えば、炎症性腸疾患、クローン病、潰瘍性大腸炎、セリアック病、血管形成異常、虫垂炎、腸捻転、慢性機能性腹痛、セリアック病、大腸癌、憩室症、子宮内膜症、エンテロウイルス、胃腸炎、ヒルシュスプルング病、回腸炎、過敏性腸症候群、ポリープ、偽膜性大腸炎、またはそのいずれかの組み合わせだが、これに限定されない）に関連し得る。一部の実施形態において、疾患特異的な状態は癌の特定のステージを包含し得る。
疾患特異的な状態の細胞は、疾患、障害、もしくは傷害を保有する患者の生検から、または正常な健常細胞を条件誘導因子（例えば、環境因子、例えば放射線、化学的または生物学的因子、例えば本明細書に記載されるサイトカインおよび／または病原体だが、これに限定されない）によって誘導することによってのどちらかで得られる。条件誘導因子は、疾患、障害、または傷害に関連する少なくとも１つの特徴を細胞が獲得することを誘導することが公知である。
本明細書において用いられる、用語「成長状態」は、細胞がサイズおよび／または数の上で育っている状態を言う。一部の実施形態において、成長状態の細胞は指数的な成長をしている。
本明細書において用いられる、用語「遊走性状態」は、少なくとも１つ以上の遊走性表現型（例えば、アドヘレンス（cadherens）ジャンクション（例えば、Ｅ−カドヘリンジャンクション）の破壊、増大したメタロプロテイナーゼ発現、頂端−基底極性の喪失、紡錘形状の形態、焦点を介する細胞−細胞相互作用、およびそのいずれかの組み合わせだが、これに限定されない）を有するかまたは取り入れる細胞を言う。一部の実施形態において、遊走性状態は上皮間葉転換または移行（ＥＭＴ）を包含し得、これは、上皮細胞がそれらの細胞極性および細胞−細胞接着を失い、遊走性特性を獲得して間葉細胞になるプロセスである。ＥＭＴは、中胚葉形成および神経管形成を包含する種々の発生プロセスにおいて起こる。ＥＭＴは、創傷治癒、臓器線維症、および癌進行の転移の開始においてもまた起こる。一部の実施形態において、本明細書に記載されるデバイスは転移をモデリングするために用いられ得、少なくとも一部の癌細胞はＥＭＴを受け、遊走性になり、膜の１つの側（ここに腫瘍細胞が在る）から「血管」チャネルである別に遊走する。
本明細書において用いられる、用語「変態状態」は、すぐに変態または発生転換をできるかまたはそれをしている組織（例えば、細胞の一群）を言う。一部の実施形態において、変態状態は、誘導を受けている胚性組織を言う（例えば、完全にまたは部分的に発生した特定の組織に転換している上皮−間葉界面、例えば、歯、骨、または上皮腺）。一部の実施形態において、変態状態は、変態をしている昆虫組織、または大きな発生転換をしているいずれかのまるごとの組織を言う。
本明細書において用いられる、用語「３次元状態」は、３次元構造の細胞の配列を言う。単に例として、腸上皮細胞は育ってひだになり、管状突起の形態の絨毛を形成する。
本明細書に記載されるデバイスは、細胞培養条件を最適化することによって、予め決められた生理的エンドポイントに達するまで細胞を育て、培養するために利用され得る。最適化され得る細胞培養条件は、播種密度、細胞供給源および／もしくは型、支持細胞、培地の組成、空気および／もしくは培地の流量、空気−液体界面の存在もしくは不在、機械的刺激（例えば、膜の動きによって誘導される）の要求、膜表面特性、メソチャネルおよび／もしくはマイクロチャネルの寸法、またはそのいずれかの組み合わせを包含するが、これに限定されない。予め決められた生理的エンドポイントは、細胞形態および／または予め決められた生理的エンドポイントに関連する少なくとも１つのマーカの存在によって検出され得、これは下の例においてさらに例示される。
予め決められた生理的エンドポイントに達するための細胞培養条件の最適化：上で論じられた通り、数々の細胞培養条件パラメータが、異なる予め決められた生理的エンドポイントのために本明細書に記載されるデバイス内で最適化され得る。例示的な細胞培養条件パラメータは、細胞関連パラメータ（例えば、細胞供給源、細胞型、支持細胞、播種密度、およびコンフルエントの程度）、培養培地関連パラメータ（例えば、培養培地の組成または処方）、微小環境関連パラメータ（例えば、空気および／または培地の流量、空気−液体界面の存在または不在、機械的刺激の要求、膜表面特性、ならびにメソチャネルおよび／またはマイクロチャネルの寸法）、ならびにそのいずれかの組み合わせを包含するが、これに限定されない。
細胞関連パラメータ：デバイスに用いられる細胞は、初代細胞（例えば、ヒトまたは動物の生体組織（例えば、生検材料）から直接的に得られるいずれかの細胞。正常な健常細胞および疾患特異的な細胞を包含するが、これに限定されない）、不死化または樹立細胞株、幹細胞（例えば、胚性幹細胞、胎児幹細胞、成体幹細胞、骨髄、臍帯血、および／または羊水に由来する幹細胞、人工多能性幹細胞、ならびに患者特異的な幹細胞）、および／または改変された細胞であり得る。
一部の実施形態において、本明細書に記載されるデバイスに用いられる細胞は初代細胞を含み得る。例えば、正常な健常細胞は１人以上の健常ドナーから得られ得る。疾患特異的な細胞は、特定の疾患と診断された１人以上の患者から得られる。例えば、喘息、慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ）および嚢胞性線維症（ＣＦ）関連気道細胞がそれぞれ１人以上の喘息、ＣＯＰＤ、およびＣＦ患者から得られる。
一部の実施形態においては、細胞の表現型および／または挙動が本明細書に記載される条件誘導因子によって改変され得る。例えば、細胞に特定の疾患の症状（単数または複数）を誘導することが公知の因子によって正常な健常細胞を刺激することによって、表現型的および／または形態学的に疾患特異的な細胞のように挙動するように、正常な健常細胞が転換され得る。１つの実施形態においては、煙草の煙が用いられて、慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ）表現型を誘導するために正常な健常細胞を刺激し得る。別の実施形態において、喘息様細胞は、正常な健常細胞に炎症を誘導することによって正常な健常細胞から誘導され得る（例えば、本明細書に記載される炎症促進性因子（例えばＴＮＦ−アルファだが、これに限定されない）に対する曝露、アレルゲン（例えば、チリダニ）による正常な細胞の刺激、および／またはＩＬ−１３などのＴＨ２サイトカインによる刺激による）。
一部の実施形態において、本明細書に記載されるデバイスに用いられる細胞は、例えば１つ以上の遺伝子をサイレンシングすることまたは１つ以上の遺伝子を過剰発現することによって遺伝子改変され得る。遺伝子サイレンシングの例示的な方法は、ＲＮＡ干渉（例えば、短鎖干渉ＲＮＡ（ｓｉＲＮＡ）、マイクロＲＮＡ（ｍｉＲＮＡ）、および／または短鎖ヘアピンＲＮＡ（ｓｈＲＮＡ）だが、これに限定されない）、アンチセンスオリゴヌクレオチド、リボザイム、三本鎖形成オリゴヌクレオチド、および同様のものを包含するが、これに限定されない。代替的にまたは追加して、細胞は検出可能なレポータ（例えば、光学レポータ、例えば蛍光分子、および／または蛋白質タグ）によって標識され得る。単に例として、ＣＦ関連気道細胞は、嚢胞性線維症膜貫通コンダクタンス制御因子（ＣＦＴＲ）遺伝子（この中の少なくとも１つ以上の変異の存在がＣＦを引き起こすことが公知である）のノックアウトまたはサイレンシングによって正常な健常細胞から誘導され得る。遺伝子サイレンシングのための方法は当分野において公知である。例えば、ＣＦＴＲ標的化ｓｈＲＮＡ、ｓｉＲＮＡ、アンチセンスオリゴヌクレオチド、リボザイム、および／または三本鎖形成オリゴヌクレオチドが、ＣＦＴＲ遺伝子をサイレンシングするために例えばレンチウイルスシステムによって正常な健常気道細胞（例えば初代細胞）内に導入され得、これは翻って正常な健常細胞にＣＦ表現型をもたらし得る。
模倣されるべき組織および／またはその機能に従って、異なる細胞型が適切に選択され得る。単に例として、肺の肺胞細胞が本明細書に記載されるデバイスへの使用のために選択されて、呼吸の間の肺気嚢の一部分における微小環境をシミュレーションし得る。一方、気道または気管支上皮細胞が、呼吸の間の気道（例えば、細気道）または気管支内の微小環境をシミュレーションするために用いられ得る。他の組織特異的な細胞、例えば心臓細胞（例えば、心筋細胞、結合組織細胞、大動脈細胞、心房細胞、心室細胞、および心臓弁間質細胞だが、これに限定されない）、消化管細胞（例えば、食道細胞、胃細胞、腸細胞、および結腸細胞だが、これに限定されない）、肝臓細胞（例えば、ｋａｒａｔ実質細胞、および非実質細胞、例えば類洞肝臓内皮細胞、クッパ細胞、および肝星細胞だが、これに限定されない）、および皮膚細胞（例えば、角化細胞、線維芽細胞、脂肪細胞、結合組織細胞、真皮細胞、表皮細胞、および／または腺細胞だが、これに限定されない）が本明細書に記載されるデバイスに用いられて、対応する組織の一部分をシミュレーションし得る。本明細書に記載されるデバイスに用いられ得る種々の組織の追加の細胞型が下の項「細胞」に記載されている。一部の実施形態において、幹細胞が用いられて異なる細胞型に分化し得る。
一部の実施形態において、支持細胞が興味ある対象細胞と一緒に培養され得る。本明細書において用いられる、用語「支持細胞」は、保護、支持、化学的シグナル（例えば、支持細胞によって分泌される因子）および／または物理的シグナル（例えば、対象細胞と支持細胞との間の直接的な物理的接触）を提供する細胞を言い、それらは興味ある対象細胞の適当な表現型および／または機能にとって不可欠であり得る。例えば、間質細胞（例えば線維芽細胞および／または平滑筋細胞だが、これに限定されない）が上皮細胞のための支持細胞として用いられ、上皮にとっての「フィーダ」層として作用し得る。１つの実施形態においては、肺間質細胞（例えば、線維芽細胞および／または平滑筋細胞）が気道上皮細胞のための支持細胞として用いられ得る。
播種密度および／または細胞のコンフルエントの程度は、細胞形態および／またはそれらの挙動（例えば、増殖、生存率、遊走、蛋白質合成、および／または分化だが、これに限定されない）に影響を及ぼし得る。細胞播種密度および／または細胞のコンフルエントの程度は、個々の細胞型（例えば、細胞サイズ、ならびに／または細胞シグナル伝達のモード、例えば直接的な接触、傍分泌シグナル伝達、および／もしくは内分泌シグナル伝達）について最適化され得る。例えば、増殖し生育可能に留まるために細胞体の少なくとも一部が隣り合う細胞と直接的な接触をすることを要求する細胞は、傍分泌シグナル伝達にもまた頼れる細胞と比較して、より高い細胞密度で播種される必要が一般的にある。従って、細胞の播種密度は約０．０１細胞／μｍ２から約１細胞／μｍ２、または約０．０５細胞／μｍ２から約０．５細胞／μｍ２の範囲であり得る。類似に、いくつかの細胞はまばらな人口の環境において育てられ得、一方、他の細胞型はより密な集団を要求し得る。それゆえに、細胞のコンフルエントの程度は約３０％から１００％または約５０％から１００％の範囲であり得る。１つの実施形態において、気道細胞は本明細書に記載されるデバイス内に約０．１細胞／μｍ２の播種密度で播種され得、これが約９０〜１００％のコンフルエントを提供し得る。
培養培地関連パラメータ：細胞培養培地の処方は、個々の細胞型および／または細胞周期内のそれらのステージによって変わり得る。なぜなら、異なる細胞型は、細胞周期の異なるステージ（例えば、増殖対分化）の間に、栄養および／またはサプリメント（例えば、成長因子および／または低分子、例えばアミノ酸およびミネラル）のユニークな組み合わせおよび濃度を要求し得るからである。例えば実施例１に示されている通り、レチノイン酸のより高い濃度が培養培地中に用いられて、細胞が増殖してコンフルエントに達した後に、気道細胞から繊毛および粘液分泌細胞への分化を誘導する。従って、１つ以上の細胞培養培地（または少なくとも２つの細胞培養培地の混合物）が本明細書に記載されるデバイスに用いられて、本明細書に記載される生理的エンドポイントのいずれかを達成し得る。一部の実施形態においては、少なくとも２つの細胞培養培地の混合物が、共培養条件の少なくとも２つ以上の細胞型に合うように、本明細書に記載されるデバイスに用いられ得る。単に例として、共培養条件において、上皮細胞が（任意選択で、線維芽細胞および／または平滑筋細胞などの支持細胞と）メソチャネル内で培養され得、一方、内皮細胞が（任意選択で支持細胞と）マイクロチャネル内で培養され得る。代替的にまたは追加して、静的な流体または流れる流体どちらかによって、免疫細胞がマイクロチャネル内に導入され得る。
細胞培養培地は、アミノ酸（例えば、アラニン、アルギニン、アスパラギン、アスパラギン酸、シスチン、システイン、グルタミン酸、グルタミン、グリシン、ヒスチジン、イソロイシン、ロイシン、リシン、Ｌ−メチオニン、フェニルアラニン、プロリン、セリン、トレオニン、トリプトファン、チロシン、およびバリンだが、これに限定されない）、ビタミン（例えば、葉酸、ｉ−イノシトール、アスコルビン酸、ビオチン、塩化コリン、パントテン酸Ｃａ＋＋、メナジオン、ナイアシンアミド、ニコチン酸、パラアミノ安息香酸（ＰＡＢＡ）、ピリドキサール、ピリドキシン、リボフラビン、チアミン−ＨＣｌ、ビタミンＡ酢酸塩、ビタミンＢ１２、およびビタミンＤ２だが、これに限定されない）、無機塩（例えば、ナトリウム塩、マグネシウム塩、およびカルシウム塩）、遷移金属、脂質、ペプチド、炭水化物（例えば、グルコース）、ピルビン酸ナトリウム、緩衝溶液（例えば、Ｎ−｛２−ヒドロキシエチル｝ピペラジン−Ｎ’−［２−エタンスルホン酸］（ＨＥＰＥＳ）または１つ以上の他の両性緩衝剤）、ｐＨ指示薬（例えば、フェノールレッド）、抗生物質（例えば、ペニシリンおよび／またはストレプトマイシン）、サイトカイン、ホルモン（例えば、エピネフリン、ヒドロコルチゾンおよび／またはインスリン）、血清、血清アルブミン、トランスフェリン、レチノイン酸（ビタミンＡ）、アデニン硫酸塩、ＡＴＰ、トレースエレメント（例えば、バリウム、臭素、コバルト、ヨウ素、マンガン、クロム、銅、ニッケル、セレン、バナジウム、チタン、ゲルマニウム、モリブデン、ケイ素、鉄、フッ素、銀、ルビジウム、スズ、ジルコニウム、カドミウム、亜鉛、およびアルミニウムのイオンだが、これに限定されない）、デオキシリボース、エタノールアミン、グルタチオン、ヒポキサンチン、リノール酸、リポ酸、ホスホエタノールアミン、プトレシン、チミジン、ウラシル、キサンチン、いずれかの当分野において認められた培養サプリメント、およびそのいずれかの組み合わせを含み得る。これらの成分のそれぞれは商業的に例えばシグマ（ミズーリ州セントルイス）から得られる。
細胞培養培地に用いられ得るサイトカインは、成長因子、例えば上皮成長因子（ＥＧＦ）、酸性線維芽細胞増殖因子（ａＦＧＦ）、塩基性線維芽細胞増殖因子（ｂＦＧＦ）、肝細胞増殖因子（ＨＧＦ）、インスリン様成長因子１（ＩＧＦ−１）、インスリン様成長因子２（ＩＧＦ−２）、角化細胞成長因子（ＫＧＦ）、神経成長因子（ＮＧＦ）、血小板由来成長因子（ＰＤＧＦ）、トランスフォーミング成長因子ベータ（ＴＧＦ−β）、血管内皮細胞成長因子（ＶＥＧＦ）、トランスフェリン、種々のインターロイキン（ＩＬ−１からＩＬ−１８など）、種々のコロニ刺激因子（顆粒球／マクロファージコロニ刺激因子（ＧＭ−ＣＳＦ）など）、種々のインターフェロン（例えばＩＦＮ−γ）、ならびに造血幹細胞に対する効果を有する他のサイトカイン、例えば幹細胞因子（ＳＣＦ）およびエリスロポエチン（Ｅｐｏ）を包含する。これらのサイトカインは、商業的に例えばライフテクノロジズ社（メリーランド州ロックビル）もしくはＲ＆Ｄシステムズ（ミネソタ州ミネアポリス）、またはＰｅｐｒｏｔｅｃｈ（ＮＪロッキーヒル）から得られ、天然または組み換えどちらかであり得る。一部の実施形態において、広範な哺乳類細胞の培養のために、基礎培地はＥＧＦを約０．１〜１００ナノグラム／ミリリットルの濃度で含有し得る。一部の実施形態において、基礎培地はＥＧＦを約１〜１０ナノグラム／ミリリットルの濃度で含有し得る。一部の実施形態において、基礎培地はＥＧＦをミリリットル当り約５〜１０ナノグラムの濃度で含有し得る。もし用いられるならば、他のサイトカインは、経験的に決定される濃度でまたは確立されたサイトカイン分野によってガイドされる通り添加され得る。細胞培養培地に添加され得る他のサイトカインについては項「サイトカインの追加の例」参照。
培養培地の各構成要素の濃度は、異なる細胞型および達成されるべき生理的エンドポイントのために最適化され得る。一般的に、培養培地の構成要素はそれぞれ約１×１０−１０ｍｇ／Ｌから約１×１０４ｍｇ／Ｌの範囲の量で独立して存在し得る。例えば、アミノ酸の濃度は約０．０５ｍｇ／Ｌから約７５０ｍｇ／Ｌの範囲、ビタミンは約０．０００５ｍｇ／Ｌから約５００ｍｇ／Ｌの範囲、無機塩は約１ｍｇ／Ｌから約１００００ｍｇ／Ｌの範囲、トレースエレメントは約１×１０−１０ｍｇ／Ｌから約０．５ｍｇ／Ｌの範囲にあり得る。
一部の実施形態において、本明細書に記載されるデバイスへの使用のための細胞培養培地は、国際出願公開第ＷＯ２００３／０４８３１３、ＷＯ２００６／００４７２８、ＷＯ２００５／０６５３４１、ＷＯ２００２／０７７２０２、ＷＯ２０１０／０９６５８８、ＷＯ２００５／０９５５８２、およびＷＯ１９９８０１５６１４号に記載されている細胞培養培地の１つ以上の成分を含み得、それらの内容は参照によって本明細書に組み込まれる。
一部の実施形態において、細胞培養培地は血液（例えば、全血、血漿、血清、またはそのいずれかの組み合わせ）を含み得る。１つの実施形態において、細胞培養培地は、患者特異的な細胞を培養するために患者に由来する血液または血液構成要素を含み得る。
培地は１つ以上の分化因子を含み得る。本明細書において用いられる、用語「分化因子」は、幹細胞または未分化のもしくは部分的に分化した細胞から望まれる状態への分化を誘導し得る分子（単数または複数）および／または組成物（単数または複数）を言う。これは、幹細胞または未分化のもしくは部分的に分化した細胞が用いられるときに有用であり得る。
微小環境関連パラメータ：細胞関連および培養培地関連パラメータに追加して、１つ以上の微小環境関連パラメータ（例えば、空気および／または細胞培養培地の流量、空気−液体界面の存在または不在、機械的刺激、膜表面特性、ならびにメソチャネルおよび／またはマイクロチャネルの寸法）は、本明細書に記載される生理的エンドポイントのいずれかを達成するように制御され得る。
生理的に意味のある寸法のメソチャネルおよび／またはマイクロチャネルを有するデバイスは、シミュレーションされた組織微小環境を提供するために用いられ得、これは少なくとも部分的に、本明細書において定められる種々の生理的エンドポイントまでの細胞発生を制御し得る。例えば、より高いメソチャネルは、低剪断および／または重層構造を形成するためのより多くの空間を要求する細胞の成長および／または分化のために、低減されたストレス環境および増大した頭上空間を差し出し得る。１つの実施形態においては、より高いメソチャネルが用いられて、繊毛および粘液分泌細胞への気道上皮細胞の分化および成長のための十分な頭上空間を許し得る。
一部の実施形態においては、空気−液体界面が本明細書に記載されるデバイス内に確立されて、組織特異的な細胞の自然の組織微小環境を模倣し、ならびに／または組織特異的な細胞の分化および／もしくは成熟を誘導し得る。本明細書において用いられる、用語「空気−液体界面」は、メソチャネルおよびマイクロチャネルの１つがその中に空気を有し、一方、残りのチャネルは液体状流体（例えば、細胞培養培地および／または血液）を有することを言う。「空気」チャネル内には実質的に全く液体状流体が存在せずにあり得る。しかしながら、「空気」チャネルに面する膜上に存在する細胞は液体様物質（例えば粘液）を分泌し得、および／または液体状流体の小量が「液体」チャネルから「空気」チャネルへと膜を透過し得る。一部の実施形態において、用語「空気−液体界面」は、実質的に全く液体状流体がメソチャネルおよびマイクロチャネルの１つに導入されず、一方、液体状流体が残りのチャネル内に導入されることを言う。１つの実施形態において、空気−液体界面は、メソチャネルがその中に空気を有し、一方、マイクロチャネルは液体状流体（例えば、細胞培養培地および／または血液）を有することを言う。別の言い方をすると、実質的に全く液体状流体がメソチャネル内には導入されず、一方、液体状流体がマイクロチャネル内に導入される。例えば、空気−液体界面が本明細書に記載されるデバイス内に確立されて、気道上皮細胞（下に記載される通り）または皮膚細胞の分化または成熟を誘導し得る。他の実施形態において、一部の組織特異的な細胞（例えば、心臓細胞、肝臓細胞、および／または消化管細胞）の自然の微小環境は空気−液体界面を要求せずにあり得る。それらの実施形態において、液体状流体、例えば細胞培養培地がメソチャネルおよびマイクロチャネル両方に存在し得る。
空気および／または培養培地は、デバイスの適切なチャネル（例えば、メソチャネルおよびマイクロチャネル）内に静的な流体（これは定期的に交換され得る）または連続的な（動的な）流れとして導入され得る。メソチャネルおよび／またはマイクロチャネル内の空気および／または培養培地の流量が独立して調整されて、組織特異的な条件または状態（例えば、休息状態対活動状態、例えば、エクササイズの間、または正常な健常状態対疾患特異的な状態）に特異的な生理的値を反映し得る。例えば、空気流は、約０ダイン／ｃｍ２から約２０００ダイン／ｃｍ２または０．１ダイン／ｃｍ２から約２０００ダイン／ｃｍ２の流体剪断ストレスを提供するような体積流量にコントロールされ得る。デバイスが気道および／または肺をとおした呼吸を模倣するために用いられる一部の実施形態において、メソチャネルをとおした空気流は、呼吸当り約１μＬから呼吸当り約５０ｍＬ、または呼吸当り約５μＬから呼吸当り約２５ｍＬ、または呼吸当り約１０μＬから呼吸当り約１０ｍＬ、または呼吸当り約２５μＬから呼吸当り約１ｍＬの流量を有するように調整され得る。デバイスを参照して本明細書において用いられる、用語「呼吸」は、肺における空気の吸気および呼気を模倣するためにメソチャネル内に誘導される空気流を言う。空気流の体積および／またはリズムは、模倣されるべき肺の状態に依存して変わり得る。例えば、エクササイズ（例えば、ランニング）の間の肺における空気流を刺激するときには、肺に出入りする空気の体積は呼吸および単位時間当り増大し得る。
培養培地の流量は、組織特異的な条件または状態（例えば、休息状態対活動状態、例えばエクササイズの間、または正常な健常状態対疾患特異的な状態）に対応する血液の流量をシミュレーションするようにコントロールされ得る。一部の実施形態において、培養培地流量は約０μＬ／ｈｒから約５０ｍＬ／ｈｒの範囲で提供され得る。
細胞がそれらの自然の組織微小環境における機械的ストレスまたは歪み（例えば、呼吸、蠕動、または心臓鼓動に関連する運動によって生ずる歪み）に曝露される一部の実施形態において、膜上に存在する細胞は、予め決められた生理的エンドポイントの発生のために、シミュレーションされた機械的歪みにさらされ得る。シミュレーションされた機械的歪みは膜の動きを調節することによって生じ得、これは膜に加えられる力／圧力に対して平行および／または垂直であり得、引き伸ばし、曲げ、圧縮、振動、収縮、波打ち、またはそのいずれかの組み合わせを包含するが、これに限定されない。単に例として、肺肺胞においては、肺胞細胞は引き伸ばしを経験するが（肺胞が吸気の間に空気を充填されるとき）、二酸化炭素に富む空気を吐き出すために、呼気の間に元々の状態または弛緩状態まで復元する。別の例は、食道細胞または腸細胞が、それぞれ食道または腸において起こる蠕動波によって生ずる機械的ストレスまたは歪みにさらされるということである。心臓において、心房および心室は一緒に働き、交互に収縮および弛緩して心臓をとおして血液を圧送する。呼吸、蠕動、または心臓鼓動に関連する運動によって生ずる生理的な歪みをシミュレーションするために、膜は、１つの実施形態において、例えば、図２Ｄに示されている通り主チャネル２３０と操作用チャネル（単数または複数）２５２との間の圧力差の加えに基づくニューマチックな機序によって、平面に沿って引き伸ばされては開放されるように調節され得、それによって細胞（例えば、肺胞細胞、食道細胞、腸細胞、心房心筋細胞、および心室心筋細胞）に、それらが自然の組織微小環境に在るときのようなシミュレーションされた機械的刺激を提供する。
一部の実施形態において、膜は細胞接着分子および／または細胞外マトリックス分子によって処理またはコーティングされて、予め決められた生理的エンドポイントの発生をたやすくし得る。細胞接着分子および／または細胞外マトリックス分子の例は、限定なしに、フィブロネクチン、ラミニン、種々のコラーゲン型、糖蛋白質、ビトロネクチン、エラスチン、フィブリン、プロテオグリカン、ヘパリン硫酸、コンドロイチン硫酸、硫酸ケラタン（keratin sulfate）、ヒアルロン酸、インテグリン結合ペプチド、例えばＡｒｇ−Ｇｌｙ−Ａｓｐ（ＲＧＤ）ペプチド、またはそのいずれかの組み合わせを包含する。
単に例として、ヒト上皮細胞（例えば、ヒト初代気道上皮細胞）の分化または成熟状態に達するために本明細書に記載されるデバイスを利用して、１つの方法（例えば、図５Ａに示されている通り）は、ヒト細胞またはヒト初代細胞（例えば、ヒト初代気道または気管支上皮細胞）を上側のメソチャネル（または「気道内腔」チャネル）の膜上に播種することを含む。細胞は、メソチャネルおよびマイクロチャネル両方をとおして培養培地を流すことによって液面下条件において培養される。一部の実施形態において、細胞は細胞が完全なコンフルエントに達するまで液面下条件において培養される。それから、その出口をとおしてメソチャネルから培養培地を取り除くことによって、空気−液体界面が任意選択で確立される。空気−液体界面は一定の細胞型（例えば、気道上皮細胞）の分化を誘導し得るので、空気−液体界面におけるデバイス内での培養の約３〜４週間またはより長くの後に細胞は分化し得る。定常な空気流は、細胞分化を誘導するために一般的に十分である。必要ではないが、一部の実施形態においては、動的な空気流が細胞分化の間にメソチャネル内に誘導されて、分化した上皮細胞（例えば、分化した気道上皮細胞）の細胞機能（単数または複数）を改善し得る。例えば、動的な空気流は、繊毛振動周波数、粘液分泌、単層バリア機能（例えば、上皮層の透過性）、および／または分化した気道上皮細胞の表面蛋白質発現を改善し得る。
しかしながら、細胞型に依存して、空気−液体界面が細胞分化にとって常に必要であるわけではないということは注意されるべきである。それらの実施形態において、液体流は細胞分化の間のメソチャネル内に維持され得る。例えば、腸上皮細胞は絨毛分化をするために空気−液体界面を要求しない。
一部の実施形態において、マイクロチャネルをとおして流れる液体状流体（例えば細胞成長培地）は少なくとも１つの分化誘導因子（例えば、少なくとも２つ、少なくとも３、少なくとも４、少なくとも５つの分化誘導因子を包含する）を含み得る。
一部の実施形態において、細胞は、分化または成熟状態に達するためには機械的歪みに対する曝露を要求し得る。例えば、メソチャネル内の細胞は、膜を引き伸ばしおよび／または引き戻すことによって機械的な周期的な歪み（例えば、約０．１％から約５０％、または約１％から約３０％、または約１０％から約２５％、約０Ｈｚから約１Ｈｚ、または約０．０１Ｈｚから約１Ｈｚの周波数で）に曝露され得る。１つの実施形態において、メソチャネル内の腸上皮細胞が周期的な歪み（例えば、約１０％、〜０．１５Ｈｚで）に曝露され得る。
１つの実施形態において、本明細書に記載されるデバイス内の気道上皮細胞の分化は、完全にコンフルエントな上皮細胞、空気−液体界面誘導、および細胞分化を支持する細胞成長培地を含む。
トランスウェルシステムにおいて気道上皮細胞を分化させる方法が以前に報告されてはいるが、マイクロ流体セッティングにおいて初代ヒト気道上皮細胞（例えば、ヒト細気道上皮細胞）を分化させるためのテクノロジおよび技術はまだ存在したことがない。例えば、トランスウェル培養から成長培地の組成を単純に移入することは十分ではない。例えば、トランスウェル培養に用いられる正常な成長培地によってマイクロ流体セッティングにおいて培養された細気道上皮細胞は扁平表現型を見せ（図１７Ｂ）、これはインビボの形態と同じではない。この目標のために、本発明者は、成長培地中のレチノイン酸濃度を増大させることが、扁平表現型を反転させ、インビボで観察される正常な表現型を復元し得るということを驚くべきことに発見した。１つの実施形態において、本発明者は、例えば本明細書に記載されるデバイスおよび方法を用いて、生理的な気道ユニット（例えば、細気道ユニット）がデバイスの膜２０８上に形成され得るということを発見した。気道上皮細胞（例えば、細気道上皮細胞）を本明細書に記載されるデバイス内の空気−液体界面に曝露した後に、細胞は、最終分化した繊毛および粘液（mucous）分泌（杯）細胞の３−Ｄ構造に分化させられ、これは例えば免疫蛍光顕微鏡法および／または走査電子顕微鏡法によって検出される（図５Ｅ〜５Ｇおよび７Ａ〜７Ｂ）。分化した細胞は、繊毛振動および粘液分泌（図５Ｅ〜５Ｇおよび７Ａ〜７Ｂ）ならびにタイトバリア機能（図５Ｄおよび７Ｃ）を見せる。典型的なジャンクション構造が、膜２０８上の分化した気道上皮細胞（例えば、細気道上皮細胞）間に形成し得、流体さらにはイオンがメソチャネルとマイクロチャネル２５０Ａ、２５０Ｂとの間を膜２０８越しに輸送され得る。膜２０８上の分化した気道上皮細胞間のタイトジャンクションの形成は、タイトジャンクション蛋白質、例えばＺＯ−１、ＴＪＰ−１の免疫組織化学的検出を用いて評価され得る（図５Ｄおよび７Ｃ参照）。
選択されたボディ素材（流体との接触をするデバイスボディの少なくとも一部分）の性質および／または特性に依存して、細胞成長培地の組成はしかるべく最適化される必要がある。例えばＰＤＭＳを用いてデバイスボディを作製するケースにおいては、細胞成長培地中の一定の疎水性構成要素または因子の濃度は増大させられる必要がある。なぜなら、それらはＰＤＭＳ表面に吸収されてしまう見込みが高いからである。１つの実施形態においては、用いられる他の材料と比較して、細胞成長培地中のレチノイン酸が例えば２００倍まで増大させられて、上皮細胞にとってレチノイン酸の十分なアベイラビリティを許す。
生理的エンドポイントのバリデーション／品質コントロール試験：本明細書において定められる異なる生理的エンドポイントを有する細胞（例えば、前駆体細胞もしくは未分化細胞対分化したもしくは成熟細胞、または正常な健常細胞対疾患特異的な細胞）は、当業者に公知の方法およびアッセイによって同定され得る。例えば、生理的エンドポイントは、細胞機能、細胞からの分子放出、細胞形態、細胞代謝、予め決められた生理的エンドポイントに関連することが公知の分子の発現レベルまたは存在／不在に基づいて同定され得るが、これに限定されない。細胞は「オンデバイスで」分析され得（例えば、細胞は分析の間にメソチャネルおよび／またはマイクロチャネル内に留まる）、または一部の細胞は取り出されて「オフデバイスで」分析され得る（例えば、細胞は、デバイス上で行われない爾後の分析のためにデバイスから取り出される）。
一部の実施形態において、膜２０８は分析（例えば、免疫組織化学的検出、免疫蛍光顕微鏡法、および／または走査電子顕微鏡法）のためにデバイスから取り外され得る。他の実施形態において、膜２０８はオンチップ検出方法（例えば、免疫組織化学的検出および／または顕微鏡法）を用いて評価および分析され得る。一部の実施形態において、膜を包含するデバイス全体は例えば顕微鏡下で評価および分析され得る。
例えば、先に記載された通り、未分化上皮細胞とは対照的に、分化した気道細胞は、典型的には繊毛細胞、杯（globet）細胞（粘液分泌細胞）、およびタイト上皮バリアを形成する。そのそれぞれの表現型は、例えば、細胞を繊毛関連マーカ（例えばβ−チューブリンＩＶだが、これに限定されない）、杯細胞関連マーカ（例えばＭＵ５ＡＣだが、これに限定されない）および／またはタイトジャンクション関連マーカ（例えば、ＴＪＰ−１およびＺＯ−１）について染色し、その後、顕微鏡法イメージング（図５Ｄ〜５Ｅおよび図７Ａ〜７Ｃ）を行うことによって検出され得る。代替的にまたは追加して、繊毛振動周波数が走査電子顕微鏡法によって決定され得る。機能アッセイ、例えば、蛍光標識された高分子（例えば、イヌリン−ＦＩＴＣ）を、メソチャネルをとおして流れる流体に添加し、それからマイクロチャネル内の蛍光標識された高分子の存在を検出することによって、分化した上皮のバリア機能もまた決定され得る。マイクロチャネルからの検出可能な蛍光シグナルがないことは、機能的なバリアが分化した上皮によって形成されたことを示す（図７Ｄ）。
炎症状態を決定するために、炎症に対する細胞応答が機能アッセイおよび／またはサイトカインおよび／またはケモカイン発現分析によって定量され得る。例えば、メソチャネルの側の膜および／または上皮への、マイクロチャネル（「血管」チャネル）内の静的なまたは流れる流体からの免疫細胞（例えば、好中球、単球、リンパ球、樹状細胞、および未成熟マクロファージだが、これに限定されない）の取り付きおよびリクルートは、顕微鏡法、組織学によって、および／または検出可能なマーカ（例えば、蛍光標識された免疫細胞）の動きをトラッキングすることによって、例えば蛍光活性化セルソータ（ＦＡＣＳ）を用いて定量され得る。代替的にまたは追加して、サイトカインおよび／またはケモカイン発現分析（分泌および／または細胞内分子を包含する）が、メソチャネルおよび／またはマイクロチャネルからのエフルエントおよび／または細胞を集めて、炎症関連サイトカインおよび／またはケモカインを検出することによって、例えばマイクロアレイ、ＥＬＩＳＡ、免疫蛍光、顕微鏡法、および／または定量的なリアルタイムポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）によって行われ得る。
炎症を決定するために用いられ得る他の方法は、例えば顕微鏡法によって繊毛振動の周波数をモニタリングすること、例えば粒子画像流速計測法によって粘液クリアランス速さを測定すること、例えば走査電子顕微鏡法によって繊毛形態を評価すること、ならびに／または顕微鏡検査および／もしくは頂端分泌によって形態による粘液産生細胞（杯（globet）細胞）の存在を検出することを包含するが、これに限定されない。粘液クリアランス速さを測定するためには、例えば粒子画像流速計測法が次の通り用いられ得る。小さい検出可能なビーズ（例えば、〜１〜３ミクロンの蛍光ビーズ）を含む流体（例えば、細胞培養培地）が、繊毛細胞が育っているメソチャネル内に導入され得る。顕微鏡（例えば、蛍光顕微鏡）下で、粘膜繊毛輸送（例えば、速さおよび／または方向によってキャラクタリゼーションされる）がモニタリングおよび／または定量され得る（例えば、一連の記録された画像または動画に基づく）。
正常な健常細胞を疾患特異的な細胞（例えば、気道関連疾患または障害）から見分けるために、当業者は、有疾患細胞の表現型を正常な健常細胞と比較および対比し、それによって正常な健常細胞と有疾患細胞との間の別個の特色を同定し得る。単に例として、喘息疾患モデルにおいて、喘息気道細胞は正常な健常気道細胞と比較して次の表現型の少なくとも１つ（少なくとも２つ以上を包含する）を見せ得る。（ｉ）少なくとも約１０％以上高い粘液分泌、（ｉｉ）杯（globet）細胞の少なくとも約１０％以上高い割合（杯（globet）細胞化生）、および（ｉｉｉ）繊毛細胞の少なくとも約５％以上減少した数。一部の実施形態において、正常な健常細胞と比較して、一酸化窒素の増加が喘息気道細胞を有するデバイス内に検出され得る。いずれかの当分野において認められた方法、例えば、ＥＬＩＳＡ、顕微鏡法、免疫蛍光、および／またはＰＣＲが、細胞形態およびその挙動／応答を決定するために用いられ得る。例えば、気道細胞による粘液分泌がＥＬＩＳＡ、免疫蛍光、および／またはＰＣＲによって決定され得る。
慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ）疾患モデルにおいて、ＣＯＰＤ関連気道細胞は、正常な健常気道細胞と比較して次の表現型の少なくとも１つ（少なくとも２つ以上を包含する）を見せ得る。（ｉ）炎症促進性サイトカイン／ケモカイン（例えばＩＬ−８）の少なくとも約１０％以上高い基底分泌、（ｉｉ）ウイルスおよび／または細菌チャレンジに対する増大した反応性（これは、例えば、少なくとも１つの炎症促進性サイトカイン／ケモカインの少なくとも約１０％以上迅速な合成および／または分泌を包含する）、（ｉｉｉ）少なくとも約１０％以上高いムチン遺伝子発現（例えば、リアルタイム定量ＰＣＲによって測定される）および／またはムチン分泌（例えば、ＥＬＩＳＡによって測定される）、ならびに（ｉｖ）少なくとも約５％低い繊毛細胞カウントおよび／または繊毛振動周波数。一部の実施形態において、ＣＯＰＤ関連気道細胞は、正常な健常細胞と比較して、肺胞マクロファージの少なくとも約１０％高い接着を見せ得る。例えば、肺胞マクロファージを含む流体をメソチャネルおよび／またはマイクロチャネルをとおして流し、それから、例えば顕微鏡法によってＣＯＰＤ細胞に接着した肺胞マクロファージの数を測定し得る。
嚢胞性線維症（ＣＦ）の原因は、少なくとも部分的には、嚢胞性線維症膜貫通コンダクタンス制御因子（ＣＦＴＲ）蛋白質の少なくとも１つ以上の変異の存在に関連し、これは細胞膜中の塩化物イオンチャネルの機能に影響し得る。変異は、ＣＦＴＲ遺伝子の置換、重複、欠失、または短縮を包含し得るが、これに限定されない。それらの変異は、ＣＦＴＲ蛋白質の機能障害、より速い分解、および／またはより低い発現レベルをもたらし得る。例えば、Rowe, S. M. et al.,「Cystic Fibrosis」N Engl J Med 2005; 352:1992-2001参照。ＣＦＴＲ変異のいくつかは、（ｉ）ΔＦ５０８（３ヌクレオチドの欠失（Δ）。蛋白質の５０８番目の位置のアミノ酸フェニルアラニン（Ｆ）の喪失をもたらし、これは蛋白質のより速い分解をもたらす）、（ｉｉ）Ｇ５４２Ｘ、（ｉｉｉ）Ｇ５５１Ｄ、（ｉｖ）Ｎ１３０３Ｋ、および（ｖ）Ｗ１２８２Ｘを包含し得るが、これに限定されない。従って、ＣＦ疾患モデルにおいて、ＣＦ関連気道細胞は、正常な健常気道細胞と比較して次の表現型の少なくとも１つ（少なくとも２つ以上を包含する）を見せ得る。（ｉ）上に記載された嚢胞性線維症膜貫通コンダクタンス制御因子（ＣＦＴＲ）蛋白質の少なくとも１つ以上の変異（１つの実施形態において、ＣＦＴＲ変異はΔＦ５０８を包含し得る）、（ｉｉ）増大した粘液分泌および／または粘液厚み（粘液厚みは、１つの実施形態において、透過電子顕微鏡法によって測定され得る）、および（ｉｉｉ）より低い繊毛振動周波数、またはいくつかのケースにおいては、繊毛は振動を停止する（例えば、粘液がより濃厚になることを原因とする）。ＣＦＴＲ蛋白質の変異は、例えば、一塩基多型（ＳＮＰ）を同定するためのシーケンシングによって、ＣＦＴＲ蛋白質の減少した発現を決定するための遺伝子および／もしくは転写物発現分析を行うことによって、ならびに／またはＣＦ関連気道細胞の細胞膜中の塩化物イオンチャネルの減少した機能を検出することによって、決定され得る。
メソチャネル内への気体流の導入：一部の実施形態において、メソチャネルの１つの末端は気体流調節デバイスと係合するように適応し得、これはメソチャネルをとおしての気体の流れをコントロールするために用いられ得る。一部の実施形態において、気体流調節デバイスは、気体の指向的な流れまたはその方向を定期的に反転させ得る気体の交互の流れを提供するように適応し得る。例えば、図１３Ａ〜１３Ｄに示されている通り、メソチャネル２５０Ａの少なくとも１つの末端または両方の末端（例えば、１３１０および／または１３１２）は、気体流調節デバイス１３１４と係合するように適応し得る。一部の実施形態において、メソチャネル２５０Ａの出口１３１２は、気体流調節デバイス１３１４と係合するように適応し得る。気体流調節デバイス１３１４はいずれかの可逆的にインフレータブルなまたは可逆的に膨張可能なチャンバの形態であり得、これが膨張および収縮して、それぞれ気体状流体（例えば空気だが、これに限定されない）を受容して吐き出し得る。気体流調節デバイスは特定のサンプル（例えば、汚染空気、煙草の煙、または空気媒介性ウイルス）の導入をもまた許し得る。単に例として、気体流調節デバイス１３１４はバルーン（図１３Ｃ）、ドラム（図１３Ｄ）、または薄壁管の形態であり得る。図１３Ｄに示されているドラムはフレキシブルな振動板１３１５を含み、これが外向きに（ふくらむ。インフロー方向から離れる）および内向きに（しぼむ。インフロー方向に向かう）動いて、それぞれ気体状流体（例えば空気）を蓄積し押し出し得る。
一部の実施形態において、メソチャネル２５０Ａの入口１３１０は、気体流ジェネレータ１３１６（例えばベンチレータだが、これに限定されない）と係合するように適応し得る。
一部の実施形態において、本明細書に記載されるデバイスは、呼吸の間の交互の吸気および呼気空気流を模倣し、それゆえに、例えば休息状態、エクササイズ、ストレス、または病気（例えば、呼吸器疾患または窮迫を患うこと）の間の呼吸パターンおよび／またはリズムを模倣するために用いられ得る。例えば、気体流調節デバイス１３１４は、約１０μＬから約５０００μＬ、または約５０μＬから約２５００μＬ、または約７５μＬから約１０００μＬ、または約１００μＬから約５００μＬの範囲である平均一回換気量で、交互の吸気および呼気空気流を作り出すように構成され得る。本明細書において用いられる用語「一回換気量」は、（例えば、休息状態の間の呼吸を模倣するために）外圧が加えられていないときに、吸気と呼気との間に置き換えられる空気の体積を言う。一回換気量は、模倣されるべき肺のサイズに依存して変わり得る（例えば、新生児対成人または人間対大型動物（例えば象））。一部の実施形態においては、気体流調節デバイス１３１４は、交互の吸気および呼気空気流を作り出すように構成され得、吸気と呼気との間に置き換えられる空気の体積は本明細書において定められる一回換気量よりも大きいかまたは小さく、例えばエクササイズまたは病気の間の呼吸を模倣する。
一部の実施形態において、気体流調節デバイス１３１４は、約５呼吸／ｍｉｎから約１００呼吸／ｍｉｎ、または約１０呼吸／ｍｉｎから約５０呼吸／ｍｉｎの呼吸周波数または数を有する交互の吸気および呼気空気流を作り出すように構成され得る。
図１４Ａ〜１４Ｂは、１つの実施形態に従うデバイスにおいて、気体流調節デバイスを用いる呼吸のシミュレーションを示す実験データである。デバイスのメソチャネル（「気道内腔」チャネル）の１つの末端は、例えば小動物用ベンチレータ１３１６および付属装置に適応的に接続されており、これは空気流を生成するために空気の圧力および体積を調整し得る。空気が「気道内腔」チャネルの１つの末端（すなわち「口末端１３１０」）からデバイス内に流された。これは「吸気流」である。「気道内腔」チャネルの別の末端（「肺胞末端１３１２」として知られる）は、コンプライアンスおよび弾性を有するゴムバルーン構造に適応的に接続されて、デバイスから空気を追い出すことを助けた。これは「呼気空気流」である。空気流／呼吸は、細気道レベルにおける休息状態のヒト対象の呼吸を模倣するやり方で調整され得るか（１００μｌの一回換気量平均で、１５×（吸気＋呼気）サイクル）、または異なる呼吸のパターンおよび／もしくは一回換気量に合うように調整され得る。
気体流または空気流の方向／速度を可視化および測定するために、当分野において認められた技術（例えば、粒子画像流速計測法またはミクロン分解能粒子画像流速計測法）が使用され得る。例えば、蛍光ビーズが「気道内腔」チャネル内に（すなわち、分化した上皮細胞（例えば、分化した気道上皮細胞）の上に）添加され得、蛍光ビーズの動きが顕微鏡によって捉えられ得る。図１４Ａは、特定の時点におけるデバイスの「気道内腔」チャネル内の蛍光ビーズの動きを示す一式のスナップショット画像である。左パネルは、空気流を受容しなかったコントロールデバイスを対象としており、部分的に極性化したビーズの動きを示している（すなわち、いくつかのビーズは１つの方向、少数が反対の方向）。右パネルは、空気流を約２４ｈｒ受容したデバイスを対象としており、「口末端」に向かってより極性化したビーズの動きを示している。このセットアップは、例えば粒子の繊毛クリアランス速度を決定するために用いられ得る。単に例として、図１４Ｂは、空気流を受容したデバイス（呼吸チップ）内の蛍光ビーズの、空気流なしのコントロールデバイス（非呼吸チップ）よりも高い繊毛クリアランス速度を示す棒グラフである。類似に、メソチャネル内に導入された病原体、化合物、および／または微粒子の繊毛クリアランス速度もまた、本明細書に記載されるデバイスを用いて決定され得る。一部の実施形態において、病原体、化合物、および／または微粒子は可視化および／またはトラッキングの容易さのために検出分子（例えば、蛍光分子）によって標識され得る。
共培養：本明細書において用いられる、用語「共培養」は、２つ以上の異なる細胞型が本明細書に記載されるデバイス内で培養されることを言う。異なる細胞型は同じチャネル（例えば、メソチャネルまたはマイクロチャネル）内および／または異なるチャネル内で培養され得る（例えば、メソチャネル内で１つの細胞型、マイクロチャネル内で別の細胞型）。例えば、一部の実施形態においては、インビボの微小環境を要約するために、一部の実施形態において、マイクロチャネル２５０Ｂに面する膜２０８の別の側は血管関連細胞（例えば、内皮細胞、線維芽細胞、平滑筋細胞、周皮細胞、またはそのいずれかの組み合わせだが、これに限定されない）と培養され得る。１つの実施形態においては、図８に示されている通り、マイクロチャネル２５０Ｂに面する膜２０８の側は内皮細胞と培養される。内皮細胞は一般的に免疫細胞リクルートおよび／または遊走に有意な役割を果たすので、メソチャネル２５０Ａに面する膜の１つの表面上の組織特異的な上皮細胞（例えば、気道上皮細胞）の、マイクロチャネル２５０Ｂに面する膜の別の表面上の内皮細胞との共培養は、例えば免疫細胞（例えば、ＣＤ８＋Ｔ細胞、リンパ球、単球、好中球だが、これに限定されない）をマイクロチャネル内に導入し、その後、内皮単層に接着した免疫細胞の数の決定を行うことによって、免疫細胞リクルートアッセイを行うための生理的に意味のあるモデルを作り出し得る。一部の実施形態において、内皮細胞はウイルス感染の間のサイトカイン／ケモカイン分泌にもまた関与し得る。
一部の実施形態において、マイクロチャネル２５０Ｂに面する膜２０８の側は平滑筋細胞および／または線維芽細胞をさらに含み得る。１つよりも多くの細胞型がチャネル内にあるときに、チャネルに供給される培養培地は、典型的には個々の細胞型を培養するために用いられる培養培地の混合物を含み得る。
一部の実施形態において、腫瘍細胞がメソチャネル内の正常な上皮細胞と共培養され得る。
デバイスが腸をモデリングする一部の実施形態において、腸上皮細胞はメソチャネル内の腸内微生物フローラと共培養され得る。
一部の実施形態において、本明細書に記載されるデバイスは、組織特異的な条件を模倣するインビトロモデルを作り出すために用いられ得る。本明細書において用いられる、用語「組織特異的な条件」は、インビボの臓器の組織中の診断され得るいずれかの条件を言う。条件は、インビボの組織において天然に起こるか（例えば、正常な健常条件、または先天性の欠陥によって誘導されるかもしくは引き起こされる条件を包含する）、または条件誘導因子もしくは刺激因子（例えば環境因子を包含するが、これに限定されない）によって誘導されるかもしくは引き起こされ得る。組織特異的な条件の例は、限定なしに、正常な状態、疾患特異的な状態、前疾患状態、疾患緩解状態、窮迫状態、炎症状態、感染状態、および刺激状態を包含する。これらの実施形態において、メソチャネルに面する膜の表面上に置かれた組織特異的な細胞は、組織特異的な条件に関連する少なくとも１つの特徴を見せるように適応し得る。例えば、一部の実施形態においては、患者および疾患特異的な上皮細胞および任意選択の構造細胞が、メソチャネルに面する膜の表面上で培養され、分化させられて、例えば慢性臓器障害、例えば慢性肺障害（例えば、慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ）、喘息、嚢胞性線維症（ＣＦ）、および線維化状態、例えばサルコイドーシス、および特発性肺線維症だが、これに限定されない）をモデリングし得る。
一部の実施形態において、疾患特異的な細胞は、特定の疾患と診断された１人以上の患者から得られる。例えば、喘息、慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ）および嚢胞性線維症（ＣＦ）に関連する気道細胞は、それぞれ１人以上の喘息、ＣＯＰＤ、およびＣＦ患者から得られる。
他の実施形態において、組織特異的な細胞（例えば、正常な組織特異的な細胞）が本明細書に記載される条件誘導因子と接触させられ得、これは、組織特異的な細胞が、組織特異的な条件に関連する少なくとも１つの特徴を獲得することを誘導できる。例えば、細菌および／またはウイルス感染を包含する肺感染をモデリングするために、生物学的および／または化学的因子（例えば、病原体、例えばインフルエンザウイルス、および／または免疫増強薬（例えば、ポリイノシン・ポリシチジン酸（通常はポリＩ：Ｃと省略される））を導入することによって、肺感染がモデリングされ得る。１つの実施形態においては、煙草の煙が用いられて、慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ）表現型を誘導するために正常な健常細胞を刺激し得る。別の実施形態においては、例えば本明細書に記載される炎症促進性因子に対する曝露によって、正常な健常細胞に炎症を誘導することによって、喘息様細胞が正常な健常細胞から誘導され得る。炎症促進性因子は下で項「サイトカインの追加の例」に記載される。一部の実施形態において、炎症促進性因子はＴＮＦ−アルファであり得る。一部の実施形態においては、（喘息と診断された患者から集められた有疾患細胞を用いるよりもむしろ）正常細胞に喘息様表現型を誘導して、例えば異なる喘息ドナー間の遺伝的ばらつき／不均質性を低減または排除することが望ましい。
本明細書に記載される刺激因子または条件誘導因子（例えば、煙粒子、病原体、サイトカイン、例えば炎症促進性因子、および／または薬物だが、これに限定されない）は、マイクロチャネルからの拡散によっておよび／またはメソチャネルをとおしたエアロゾルもしくは液体として細胞に送達され得る。分子または病原体のエアロゾルは、オンチップで、例えば、本明細書に記載されるデバイスを改変して、ＰＣＴ出願通し番号ＰＣＴ／ＵＳ１２／３７０９６およびＰＣＴ／ＵＳ１３／３６５６９に記載されているインビトロエアロゾル送達デバイスと一体化させることによって生成され得る（その内容は参照によって本明細書に組み込まれる）。１つの実施形態においては、図２１に示されている通り、ＰＣＴ出願通し番号ＰＣＴ／ＵＳ１２／３７０９６に記載されている慣性インパクター２１００がデバイスボディの下側部分２０６に置かれ得、デバイスボディの上側部分２０４のメソチャネルに流体接続する。アクセスポート２１０２がデバイスボディの下側部分の横表面上に置かれ得、慣性インパクター２１００に流体接続する。それゆえに、エアロゾルを生ずる要素から生ずるエアロゾルがアクセスポート２０１２内に導入され得、慣性インパクター２１００をとおして流れ、そこでエアロゾルのより大きい液滴は慣性インパクター２１００の壁表面上に捉えられ（例えば、メソチャネルの詰まりを防ぐため）、一方、エアロゾルのより小さい液滴はメソチャネルに流れ込み続ける。
本明細書において用いられる、用語「免疫細胞」は、一般的に、感染性疾患および外来物質両方に対して対象を守ることに関与する免疫系の休止期および／または活性化細胞を言う。免疫細胞の例は、限定なしに、白血球（例えば、好中球、好酸球、好塩基球、リンパ球（例えば、Ｂ細胞、Ｔ細胞、およびナチュラルキラー細胞）、単球、マクロファージ（例えば、定住マクロファージ、休止期マクロファージ、および活性化マクロファージを包含する）を包含する）、さらにはクッパ細胞、組織球、樹状細胞、ランゲルハンス細胞、マスト細胞、小膠細胞、およびそのいずれかの組み合わせを包含する。一部の実施形態において、免疫細胞は、誘導された免疫細胞、例えば、リンパ系幹細胞および／またはミエロイド幹細胞に由来する免疫細胞を包含する。
一部の実施形態において、組織特異的な条件（例えば疾患特異的な条件）は、正常な健常細胞を遺伝子改変することによって（例えば、１つ以上の遺伝子をサイレンシングすること、または１つ以上の遺伝子を過剰発現することによって）作り出され得る。遺伝子サイレンシングの方法は、ＲＮＡ干渉（例えば、短鎖干渉ＲＮＡ（ｓｉＲＮＡ）、マイクロＲＮＡ（ｍｉＲＮＡ）、および／または短鎖ヘアピンＲＮＡ（ｓｈＲＮＡ）だが、これに限定されない）、アンチセンスオリゴヌクレオチド、リボザイム、三本鎖形成オリゴヌクレオチド、および同様のものを包含するが、これに限定されない。単に例として、ＣＦ関連気道細胞は、嚢胞性線維症膜貫通コンダクタンス制御因子（ＣＦＴＲ）遺伝子（これの少なくとも１つ以上の変異の存在がＣＦを引き起こすことが公知である）のノックアウトまたはサイレンシングによって正常な健常細胞から誘導され得る。例えば、ＣＦＴＲ標的化ｓｈＲＮＡ、ｓｉＲＮＡ、アンチセンスオリゴヌクレオチド、リボザイム、および／または三本鎖形成オリゴヌクレオチドが、ＣＦＴＲ遺伝子をサイレンシングするために、例えばレンチウイルスシステムによって正常な健常気道細胞（例えば、初代細胞）内に導入され得、これは翻って正常な健常細胞にＣＦ表現型をもたらし得る。
一部の実施形態においては、本明細書に記載されるデバイスのメソチャネル内の空気流のリズムが、単独でかまたはマイクロチャネル内を流れる液体培地との組み合わせで調整されて、例えば急性肺傷害（物理的もしくは化学的どちらか、または呼吸ありもしくはなし）、例えば吸入された酸／アルカリまたはベンチレータ誘発傷害をモデリングし得る。
疾患特異的なモデルを作り出すために本明細書に記載されるデバイスが用いられる一部の実施形態において、デバイスは、別個の主チャネル内で培養された正常な健常細胞（例えば、１人以上の健常ドナーから得られる）をさらに含んで、例えば比較のための基準線を作り出し得る。
一部の実施形態において、デバイスは健常および疾患特異的な細胞両方を含み得る。一部の実施形態において、デバイスは疾患特異的な細胞のみを包含し得る。
単に例として、図１１Ａ〜１１Ｄは、細菌／ウイルス感染をモデリングするために本明細書に記載されるデバイスの１つの実施形態を用いるケイパビリティを例示している。気道上皮細胞から繊毛および粘液（mucous）分泌（杯）細胞への分化後に、炎症を誘導するために、病原体（例えば、細菌、真菌、および／またはウイルス）および／またはそれらの関連刺激（例えば、ｔｏｌｌ様受容体３（ＴＬＲ−３）リガンドポリＩ：Ｃ、または炎症促進性因子（例えばＴＮＦ−αだが、これに限定されない））によって、分化した細胞がチャレンジされ得る。本明細書に記載される免疫細胞（例えば、ヒト単球だが、これに限定されない）を含む流体が静的な流体または流れる流体どちらかによって「血管」チャネル内に導入されて、分化した細胞のサイトカイン／ケモカインプロファイルに及ぼす炎症促進性因子によって誘導される炎症の効果、および／または本明細書に記載される免疫細胞（例えば、単球および／または好中球だが、これに限定されない）のリクルートが決定される。図１１Ｂは、ＴＬＲ−３活性化（インフル様状況）が、デバイス内の分化した気道上皮細胞によるケモカイン（例えば、単球化学誘引物質および好中球化学誘引物質）の放出を刺激するということを示している。メソチャネルおよび／またはマイクロチャネル内を流れる流体中に分泌されたサイトカインまたはケモカインは、メソチャネルおよび／またはマイクロチャネルを出る流体のアリコートを出口から集めて、これがそれからサイトカイン／ケモカイン発現分析に供されることによって測定され得る。図１１Ｃは、ＴＬＲ−３刺激が、分化した上皮細胞への単球接着を増強するということを示している。図１１Ｄは、ＴＬＲ−３リガンドポリＩ：Ｃによる刺激後の分化した上皮細胞がＩＰ−１０の上皮細胞の遺伝子発現を有意に増大させるということを示している。
一部の実施形態においては、腫瘍細胞がメソチャネルに面する膜の表面上で組織特異的な上皮細胞と共培養され得、例えば組織特異的な癌の転移を研究する。１つの実施形態においては、肺上皮細胞の中の腫瘍細胞の転移を研究することによって肺癌がモデリングされ得る。
一部の実施形態においては、メソチャネルに煙粒子の流れを導入することによって喫煙肺チップが作り出され得、メソチャネルに面する膜の１つの表面上で培養された気道および／または肺上皮細胞の機能および転換に煙が及ぼす効果を研究する（マイクロチャネルに面する膜の別の表面をライニングする内皮細胞ありで、またはなしで）。
一部の実施形態において、本明細書に記載されるデバイスは、腸または消化管の少なくとも一部分をモデリングし、腸細胞が３次元（３Ｄ）腸絨毛の形態形成をすることを誘導するために用いられ得る。例えば、ヒト腸上皮細胞（例えば、十二指腸、空腸、回腸、盲腸、結腸、および虫垂などの腸に関連する上皮細胞）が、マイクロチャネルに面する膜の別の表面をライニングする内皮細胞ありでまたはなしで、メソチャネルに面する膜の表面上で培養され得る。膜を引き伸ばして引き戻すことによって（例えば、約０．０５Ｈｚから約０．３Ｈｚの周波数で、５％から約２０％）生じた生理的な蠕動運動に培養細胞を曝露し、メソチャネル内に低剪断ストレス（例えば、０．０２ダインｃｍ−２）で液体を流すことによって、腸細胞はひだに育って、メソチャネル（これは「腸内腔」としてモデリングされる）内に突き出た管状突起（絨毛）を形成して、３Ｄ構造を要約し得る。それらの腸絨毛様構造の形成は、ヒト腸の吸収効率を模倣する増大した表面積、および／またはシトクロームＰ４５０の３Ａ４アイソフォームに基づく増強された薬物代謝活性を提供し得る（Kim et al., 2012 Lab Chip, 12: 2165-2174およびKim et al., 2013 Integrative Biology, ２０１３年６月２６日に最初にオンライン公開、ＤＯＩ：１０．１０３９／Ｃ３ＩＢ４０１２６Ｊ）。コントロールされたマイクロ流体環境において要約されるヒト腸のこれらの機能的特色は、輸送、吸収、および毒性研究、薬物試験、さらには腸疾患モデルの開発および治療因子のスクリーニングのために用いられ得る。本明細書に記載されるデバイスを用いてモデリングされ得る腸疾患の例は、炎症性腸疾患、クローン病、潰瘍性大腸炎、セリアック病、血管形成異常、虫垂炎、腸捻転、慢性機能性腹痛、セリアック病、大腸癌、憩室症、子宮内膜症、エンテロウイルス、胃腸炎、ヒルシュスプルング病、回腸炎、過敏性腸症候群、ポリープ、偽膜性大腸炎、またはそのいずれかの組み合わせを包含するが、これに限定されない。
経口投与を意図される薬物は、標的化された作用部位における治療濃度を達成するために良好なバイオアベイラビリティを一般的に要求する。良好なバイオアベイラビリティは、薬物の有効な量が全身循環に達することができるということである。しかしながら、経口経路による薬物吸収は薬物の特性および／または胃腸管の生理（剤形からの薬物溶解、薬物が水性環境および膜と相互作用する様式、膜の透過、ならびに腸、肝臓、および肺などの初回通過臓器による不可逆的な取り除きを包含する）によって影響され得る（Martinez and Amidon, 2002 J Clin Pharmacol 42: 620 - 643）。具体的には、薬物吸収の大部分は一般的に小腸で起こり、そこでは絨毛および微絨毛の存在が吸収面積を著しく増大させている。それゆえに、一部の実施形態において、上に記載された腸絨毛構造の機能をモデリングするデバイスが用いられて、そのバイオアベイラビリティの予測のために試験因子の腸内吸収、代謝、および／または排泄を評価し得る。一部の実施形態において、腸絨毛構造の機能をモデリングするデバイスは、試験因子によって処理されるべき標的組織を模倣する別のデバイスに流体接続され得る。
一部の実施形態において、本明細書に記載されるデバイスは、膜の１つのまたは両方の表面上の細胞に及ぼす試験因子の効果を決定するために用いられ得る。試験因子の効果は、繊毛クリアランス、絨毛吸収、細胞生存率、細胞層の透過性、細胞形態、蛋白質発現、遺伝子発現、細胞接着、免疫細胞の接着性、細胞分化、サイトカインもしくはケモカイン産生、炎症、またはそのいずれかの組み合わせを包含し得るが、これに限定されない。
本発明の一部の実施形態によれば、本明細書に記載されるデバイスは、試験因子に対する膜の１つのまたは両方の表面上の細胞の曝露によって、試験因子の有効性を決定するために用いられ得る。例えば、試験因子の有効性は、試験因子に対する曝露後に、細胞の応答ならびに／またはデバイス内の流体（例えば、気体状および／または液体状流体）中に存在するかもしくはデバイスからのアウトプット流体（例えば、気体状および／または液体状流体）中に存在する少なくとも１つの構成要素を測定することによって決定され得る。本明細書において用いられる、用語「有効性」は、一般的に、望まれる効果またはアウトカムを生ずる試験因子の能力を言う。試験因子の性質および／または型に依存して、望まれる効果またはアウトカムの例は、治療効果、細胞毒性、細胞成長、細胞分化、改善されたまたは低減された細胞機能または表現型（例えば、繊毛クリアランス、細胞層の透過性、細胞遊走、試験因子に対する細胞曝露によって影響され得る蛋白質またはサイトカインの発現および／または分泌だが、これに限定されない）、およびそのいずれかの組み合わせを包含するが、これに限定されない。本明細書において用いられる用語「治療効果」は、その結果が望ましく有益であると判断される処置の影響を言う。
本発明の一部の実施形態によれば、本明細書に記載されるデバイスは、試験因子に対する膜の１つのまたは両方の表面上の細胞の曝露によって試験因子の毒性を決定するために用いられ得る。例えば、試験因子の毒性は、試験因子に対する曝露後に、細胞の応答ならびに／またはデバイス内の流体（例えば、気体状および／または液体状流体）中に存在するかもしくはデバイスからのアウトプット流体（例えば、気体状および／または液体状流体）中に存在する少なくとも１つの構成要素を測定することによって決定され得る。本明細書において用いられる、用語「毒性」は、細胞に対するいずれかの有害な効果および／もしくは副作用ならびに／または細胞死さえも誘導するかまたは引き起こす試験因子の能力を言う。例えば、試験因子の毒性は、細胞機能および／または表現型に対する有害な効果（細胞代謝の変改、変異原性、発癌性、催奇形性、ＤＮＡ損傷、蛋白質または膜損傷、細胞エネルギ枯渇、ミトコンドリア損傷、遺伝毒性、アポトーシス、細胞死、細胞破裂、およびそのいずれかの組み合わせを包含するが、これに限定されない）を誘導するかまたは引き起こすその能力によってキャラクタリゼーションされ得る。
本発明の一部の実施形態によれば、本明細書に記載されるデバイスは、試験因子に対する膜の１つのまたは両方の表面上の細胞の曝露によって作用機序を決定するために用いられ得る。例えば、作用機序は、試験因子に対する曝露後に、細胞の応答ならびに／またはデバイス内の流体（例えば、気体状および／または液体状流体）中に存在するかもしくはデバイスからのアウトプット流体（例えば、気体状および／または液体状流体）中に存在する少なくとも１つの構成要素を測定することによって決定され得る。本明細書において用いられる、用語「作用機序」は、一般的に、それをとおして因子が細胞に対するその生物学的効果を発揮する細胞経路または生物学的相互作用を言う。例えば、因子が薬物物質であるときには、作用機序は、それをとおして薬物物質がその薬理効果を生ずる生物化学的相互作用を言い得る。試験因子の性質および／または型に依存して、作用機序が、いずれかの当分野において認められた細胞経路または生物学的相互作用（例えば、蛋白質合成、細胞遊走、染色体制御／エピジェネティクスまたはアセチル化、ＭＡＰＫシグナル伝達、アポトーシス、オートファジー、ＰＩ３Ｋ／Ａｋｔシグナル伝達、翻訳コントロール、細胞周期／チェックポイント、Ｊａｋ／Ｓｔａｔ経路、ＮＦ−Ｂシグナル伝達、ＴＧＦ−／Ｓｍａｄシグナル伝達、リンパ球シグナル伝達、血管新生、細胞骨格シグナル伝達、細胞接着、細胞代謝、細胞発生および／または分化、チロシンキナーゼ／アダプタ、蛋白質安定性、蛋白質フォールディング、核受容体シグナル伝達、およびそのいずれかの組み合わせを包含するが、これに限定されない）に関連づけられ得る。従って、一部の実施形態において、作用機序は試験因子の有効性および／または毒性の機序を包摂し得る。
本発明の一部の実施形態によれば、メソチャネルに面する膜の表面上の組織特異的な上皮細胞は、試験因子と接触させられ得る。試験因子は、メソチャネルもしくは「気道内腔」チャネルをとおしたエアロゾルまたは液体として、および／またはマイクロチャネルもしくは「血管」チャネルからの拡散によって、細胞に送達され得る。先に記載された通り、（例えば、試験因子の）エアロゾルがオンチップで生成され得、例えば、本明細書に記載されるデバイスを改変して、ＰＣＴ出願通し番号ＰＣＴ／ＵＳ１２／３７０９６およびＰＣＴ／ＵＳ１３／３６５６９に記載されているインビトロエアロゾル送達デバイスを一体化する。それらの内容は参照によって本明細書に組み込まれる。
いずれかの試験因子は、細胞に及ぼすその効果を決定するために本明細書に記載されるデバイス内に導入され得る。試験因子の例は、蛋白質、ペプチド、抗原、ナノ粒子、環境毒素または汚染物質、煙草の煙、ケミカル、または化粧品に用いられる粒子、低分子、薬物または薬物候補、ワクチンまたはワクチン候補、エアロゾル、炎症性分子、天然に存在する粒子（花粉を包含する）、化学兵器、一本または二本鎖核酸、ウイルス、細菌、および単細胞生物を包含し得るが、これに限定されない。
細胞に試験因子が及ぼす効果は、試験因子に対する膜の少なくとも１つの側の細胞の応答、第１のサブチャネルを出る気体状流体、第２のサブチャネルを出る液体状流体、またはそのいずれかの組み合わせを測定し、測定された応答を試験因子と接触していない細胞と比較することによって決定され得る。細胞応答を測定するための種々の方法が当分野において公知であり、細胞標識、免疫染色、光学または顕微鏡イメージング（例えば、免疫蛍光顕微鏡法および／または走査電子顕微鏡法）、分光法、遺伝子発現分析、サイトカイン／ケモカイン分泌分析、代謝物分析、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）、免疫アッセイ、ＥＬＩＳＡ、遺伝子アレイ、分光法、免疫染色、電気化学的検出、ポリヌクレオチド検出、蛍光異方性、蛍光共鳴エネルギ移動、電子移動、酵素アッセイ、磁気、電気伝導率（例えば、経上皮電気抵抗（ＴＥＥＲ））、等電点電気泳動、クロマトグラフィ、免疫沈降、免疫分離、アプタマ結合、濾過、電気泳動、ＣＣＤカメラの使用、質量分析、またはそのいずれかの組み合わせを包含するが、これに限定されない。細胞検出などの検出は、特定の細胞型の特徴的なサイズ、形状、および屈折特徴に基づいて、位相差イメージングによる光学顕微鏡法および／または蛍光顕微鏡法を用いて実施され得る。より高い特異性は、個々の細胞型または微生物に特異的である蛍光または細胞化学染色による光学イメージングを用いて得られる。
一部の実施形態においては、内皮または膜への「血管」チャネルをとおして導入された免疫細胞の接着が測定されて、免疫応答に及ぼす試験因子の効果を決定し得る。
アッセイされるべき組織特異的な細胞が条件特異的（例えば、疾患特異的）であるように適応する一部の実施形態において、試験因子に対する組織特異的な細胞の曝露、その後、細胞に試験因子が及ぼす効果の決定は、条件の処置のための治療薬の同定をたやすくし得る。例えば、図１２Ａ〜１２Ｄは、一実施形態に従うデバイス内の感染の間の分化した気道上皮細胞および任意選択で免疫細胞に異なる因子が及ぼす効果を評価する例示的な方法と、それからもたらされる実験データとを例示している。図１２Ａは、デバイス内でシミュレーションされた感染の間の異なる因子の効果を評価する例の方法を例示する、模式的なダイアグラムである。図５Ａに記載されている分化方法を踏襲して、繊毛および／または粘液分泌細胞への分化のために、慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ）患者からの初代ヒト上皮細胞がメソチャネル（「気道内腔」チャネル）内の膜上に播種される。ＣＯＰＤ上皮細胞の分化時に、膜の別の表面（マイクロチャネル、「血管」チャネルに面する）は内皮細胞を播種されるか、またはそれなしであり得る。デバイス内の細胞は基礎培地を用いて任意選択で飢餓させられ、その後、異なる試験因子（例えば、コントロールとしてのＤＭＳＯ、ブデソニド、ならびに製薬企業から得られたＢＲＤ４阻害剤化合物１および２）による処理を行い得る。因子は「血管」チャネルからの拡散によって分化した上皮細胞まで送達され得る。それから、前処理された分化したＣＯＰＤ上皮細胞はＴＬＲ−３リガンドポリＩ：Ｃによってチャレンジされて（例えば、メソチャネル内を流れるエアロゾルまたは液体として約１０μｇ／ｍＬが送達される）、ＴＬＲ−３を刺激し、ウイルス感染を模倣する。分化したＣＯＰＤ上皮細胞からの分泌されたサイトカインおよびケモカインは、「血管」チャネルのフロースルー中におよび／または「気道内腔」チャネルの頂端洗浄液から定量され得る。一部の実施形態において、免疫細胞（例えば、ヒト単球）を含む流体が静的な流体または流れる流体どちらかによって「血管」チャネル内に導入されて、免疫細胞（例えば、単球および／または好中球）のリクルートにＴＬＲ−３によって誘導される炎症が及ぼす効果を決定し得る。図１２Ｂは、分化したＣＯＰＤ上皮細胞（ＴＬＲ−３リガンドポリ（Ｉ：Ｃ）に対する曝露に先立って異なる因子によって前処理された）による「血管」チャネル内に放出された代表的なサイトカインおよびケモカイン（例えば、単球化学誘引物質および好中球化学誘引物質）の産生を示しており、シミュレーションされたウイルス感染に応答したサイトカイン／ケモカイン分泌を低減することにおいて、化合物２が化合物１よりも強力であるということを示している。追加して、図１２Ｆは、好中球接着を低減することにおいては化合物２がより強力であり、一方で、化合物１がかかる効果を有さなかったということを示しており、かかる結果は、炎症を低減することにおける化合物２の効能に関する製薬企業の社内データと一致しており、それをバリデーションしている。それゆえに、本明細書に記載されるデバイスおよび方法は薬物をスクリーニングするために用いられ得る。
組織特異的な細胞が患者特異的である一部の実施形態において、試験因子に対する患者特異的な細胞の曝露、その後の細胞に試験因子が及ぼす効果の決定は、対象のための個別化された処置の同定をたやすくし得る。
組織特異的な細胞が患者集団特異的である一部の実施形態において、試験因子に対する患者集団特異的な細胞の曝露、その後の細胞に試験因子が及ぼす効果の決定は、その患者集団のために指定される処置の同定をたやすくし得る。本明細書において用いられる、用語「患者集団特異的」は、疾患または障害以外の少なくとも１つ以上の表現型および／または特徴（例えば、特定の遺伝子変異、エスニシティ、性別、生活様式、ＢＭＩ、処置に対する抵抗、およびそのいずれかの組み合わせだが、これに限定されない）を共有する患者の集団から集められた細胞を言う。
一部の実施形態において、１つ以上の本明細書に記載されるデバイスは、薬物動態（ＰＫ）モデル、薬力学（ＰＤ）モデル、またはＰＫ−ＰＤモデルとの組み合わせで用いられて、試験されるべき因子の効果を定量的に分析し得る。例えば、一連のデバイス（それぞれ組織をモデリングする。例えば、１つは消化管、１つは肝臓、別の１つは心臓）同士が接続されて、システム内に投与された因子の運命を決定するために用いられ得るマイクロ生理的なシステムを提供し得る。用語「薬物動態」は当分野に従って用いられ、体内における因子（例えば、薬物）の作用の研究、例えば、薬物作用の効果および持続時間、それらが体によって吸収され、分布し、代謝され、排除される速度などを言う（例えば、特定の用量または治療レジメンによるその投与の後の、患者の血清中の因子（例えば薬物）の濃度の研究）。用語「薬力学」は当分野に従って用いられ、対象の体または微生物（例えば、体内または体表のウイルス）に因子（例えば、薬物）が及ぼす生物化学的および生理学的な効果、ならびに薬物作用の機序および薬物濃度と効果との間の関係性の研究を言う（例えば、１つ以上の治療レジメンを踏襲する患者の血漿中に存在する病原体、例えばウイルスの研究）。ＰＫ−ＰＤモデリングおよび分析のための方法は当分野において公知である。例えば、Bonate, P.L. (2006). Pharmacokinetic-Pharmacodynamic Modelling and Simulation. New York, Springer Science & Business Media; Gabrielsson, J. and D. Weiner (2000)およびPharmacokinetic and Pharmacodynamic Data Analysis: Concepts and Applications. Stockholm, Swedish Pharmaceutical Press参照。例えば、本明細書に記載されるデバイスの複数を含むマイクロ生理的なシステムをモデリングするためにＰＫモデルが開発され得、各デバイスは、投与されるべき因子に及ぼす効果（例えば、吸収、代謝、分布、および／または排泄）を生じ得る異なる組織をモデリングし得る。本明細書に記載されるデバイスについてＰＫモデルを構築するために、因子の流入、流出、および代謝を記述する物質収支式が各メソチャネルおよびマイクロチャネルについてセットアップされ得る。ＰＤモデルが本明細書に記載される各デバイスと一体化されて、組織または臓器を模倣する各デバイス内の潜在的な細胞応答（例えば、炎症、サイトカイン放出、リガンド結合、細胞膜破壊、細胞変異、および／または細胞死）のキネティクスを記述し得る。このインビトロ／インシリコシステムは、１つ以上の本明細書に記載されるデバイスを統合型ＰＫ−ＰＤモデリングアプローチと組み合わせており、従来のインビトロシステムよりも現実的な様式で薬物毒性を予測するために用いられ得る。一部の実施形態においては、本明細書に記載されるデバイスの１つ以上が、１つ以上の物理的−化学的、薬物動態、および／または薬力学パラメータを定量する、見積もる、または判定するために用いられ得る。種々の物理的−化学的、薬物動態、および薬力学パラメータは当分野において公知であり、例えば、先述の参照中に論じられているものを包含する。例示的な物理的−化学的、薬物動態、および薬力学パラメータは、透過性、ｌｏｇＰ、ｌｏｇＤ、分布容積、クリアランス（固有クリアランスを包含する）、吸収速度、代謝の速度、交換速度、分布速度および特性、排泄速度、ＩＣ５０、結合係数などを包含するが、これに限定されない。
一部の実施形態において、本明細書に記載されるデバイスは、標的同定／バリデーションのために用いられ得る。例えば、本明細書に記載されるデバイスは、疾患または条件の底にある分子機序、候補標的分子の同定、および前記標的分子の評価を解明するために、本明細書に記載される組織特異的な条件（例えば疾患または障害）を模倣するために用いられ得る。一部の実施形態において、本明細書に記載されるデバイスへの遺伝子改変細胞の使用（例えば、特定の遺伝子をサイレンシングすることまたは過剰発現することによる）は、特定の疾患のための標的分子を同定するために用いられ得る。本明細書において標的ともまた言われる１つのかかるバリデーションされた標的分子（例えば、リガンド、受容体、転写因子、および／または酵素）が同定され、標的を対象とする薬物候補（例えば、抑制または活性化）が試験され得る。薬物候補は本明細書に記載されるデバイス内の疾患特異的な細胞に導入され得、薬物候補に対する細胞応答が測定されて、同定された標的をバリデーションし得る。これは特定の疾患または条件のための創薬をもまた促進し得る。多くのケースにおいて、かかる薬物候補は、合成および／または天然化合物を含み得る化合物ライブラリのメンバであり得る。コンビナトリアルライブラリもまた用いられ得る。
類似に、本明細書に記載されるデバイスは、薬物が治験の間に奏功しなかった生理的な環境を模倣するために用いられ得る。それゆえに、新たな薬物標的の同定をたやすくするために薬物の作用機序が研究され得る。
一部の実施形態において、本明細書に記載されるデバイスは動物細胞（例えば、ブタ細胞、ウサギ細胞、犬細胞、マウス細胞、および／またはラット細胞だが、これに限定されない）と培養されて、本明細書に記載されるデバイス内に導入された因子に対する動物細胞の応答を決定し得る。それから、デバイス内の動物細胞の測定された応答は、因子が生体の動物（例えば、ブタ、ウサギ、犬、マウス、および／またはラット）に投与されたときにインビボで起こった実際の応答と相関づけられ得る。１つ以上の動物モデルにおけるインビトロおよびインビボの応答間の相関を同定することによって、デバイス内の因子に対するヒト細胞の測定された応答に基づいて、インビボのヒト対象に因子が及ぼす効果を外挿または予測し得る。そして、追加してまたは代替的に、ヒト対象のための因子の治療用量が決定され得る。
一部の実施形態において、「気道内腔」チャネルをとおしたシミュレーションされた呼吸と２つ以上の本明細書に記載されるデバイスを接続する能力（例えば、直列でおよび／または並行で）との組み合わせは、どのように「病原体感染」デバイスからの空気媒介性病原体（例えば、ウイルス、細菌、ＲＳウイルス、インフルエンザウイルス、または結核菌（ＭＴＢ）だが、これに限定されない）が１つ以上の「未感染」デバイスに感染し得るのかを研究することを許し得る。これは図１５に示されている通りである。それらの実施形態において、病原体感染上皮細胞を含む第１のデバイスは、未感染細胞を含む少なくとも１つの第２のデバイスに例えば直列でおよび／または並行で接続するように適応し得る。２つのデバイス間の距離は、２対象間の接触の近さをシミュレーションおよび／または２対象間の空気媒介性病原体伝播の速度をコントロールするように調整され得る。
一部の実施形態において、病原体感染上皮細胞は１以上の感染した対象から得られる。一部の実施形態において、未感染細胞は、１以上の正常な健常対象および／または呼吸器疾患などの疾患もしくは障害を有する対象から得られる。それから、空気流が第１のデバイスの「気道内腔」メソチャネルから第２のデバイスの「気道内腔」メソチャネルに導かれ得る。第１のデバイスからの空気流に対する曝露による未感染細胞（免疫細胞を包含する）の応答、さらには感染細胞（免疫細胞を包含する）の応答が測定されて、空気媒介性病原体の伝播性を決定し得る。
一部の実施形態において、上に記載された「空気媒介性病原体伝播」モデルは病原性株（例えばウイルスの株）の感染性またはビルレンスを評価するために用いられ得る。例えば、少なくとも２つ以上の（例えば、２、３、４、５、６、７、８、９、１０またはより多くの）「未感染」デバイスが直列および／または並行に接続され得る。各「未感染」デバイスにおいて、メソチャネルに面する膜の１つの表面は肺関連細胞（例えば、肺細胞、鼻腔細胞、気管細胞、気道細胞、および／または気管支細胞）を含み得、一方、膜の別の表面は血管関連細胞を含むかまたは含まないであり得る。それから、評価されるべき病原性株が、接続されたデバイスの１つのメソチャネル内に導入され得る。免疫細胞のリクルートおよび／または浸潤が各デバイスにおいて測定されて、導入された病原性株の感染性またはビルレンスを決定し得る。典型的には、ウイルス感染は免疫応答を誘導し得、これは、例えば、増大した免疫細胞リクルートおよび／または浸潤を包含し得る。
各「未感染」デバイス内で感染させられるべき肺関連または他の適切な組織特異的な細胞は、別個の表現型（例えば、年齢、性別、遺伝子型、生活様式、例えば喫煙、頻繁なエクササイズ、および食事、疾患、または障害による）を有する異なる対象または対象集団から集められ得る。例えば、小児および高齢者は一般的にウイルス感染によりかかりやすく、呼吸器疾患を有する対象（例えば喘息患者）はウイルスに曝露されたときに呼吸器疾患のウイルス増悪に罹患し得る。従って、個々の接続されたデバイスにおいて異なる対象集団からの免疫細胞の応答を測定することによって、病原性株に対するリスク集団をもまた同定し得る。
一部の実施形態において、本明細書に記載される「空気媒介性病原体伝播」モデルは、新規の（すなわち、ヒトにおいて新たな）ウイルス株がヒトにおいて容易に且つ効率的に伝染する能力を獲得するリスクを評価するために用いられ得る。インフルエンザＡウイルスによって提示される潜在的なパンデミックリスクを測定するために疾病予防管理センタ（ＣＤＣ）が現行で用いている１０個の評価基準（インフルエンザリスク評価ツールはwww.cdc.gov/flu/pandemic-resources/tools/risk-assessment.htmでアクセス可能）は、本明細書に記載されるデバイスを用いて新規のウイルス株の出現に関連する潜在的なパンデミックリスクを決定するためのガイドラインとして用いられ得る。例えば、新規のインフルエンザウイルスがヒト細胞を含む「未感染ヒト」デバイスに導入されて、デバイス間の直接的で長時間の「接触」または接続後に、ヒトからヒトへの伝播が起こり得るかどうかおよび／またはどのように頻繁に且つ容易に伝播が起こり得るかを決定し得る。追加してまたは代替的に、新規のインフルエンザウイルスが種々の動物細胞を含む「未感染動物」デバイスに導入されて、動物のどの種類がインフルエンザウイルスによって影響を与えられ得るかを決定し得る。なぜなら、いくつかの動物とのヒト接触の見込みはより高くあり得（例えば、飼い鳥対野鳥）、これはパンデミックリスクに影響を及ぼし得るからである。追加してまたは代替的に、新規のインフルエンザウイルスが異なる組織特異的な細胞を含む「未感染」デバイスに導入されて、ウイルスがよりかかりやすいかまたは感染に対して易罹患性である組織および／または細胞の型を決定し得る（例えば、鼻組織および細胞対深部肺組織および細胞）。
一部の実施形態において、上に記載された「空気媒介性病原体伝播」モデルは、抗病原体薬（例えば、抗ウイルス薬）または空気媒介性病原体に対するワクチンの予防または治療有効性を決定するためにもまた用いられ得る。例えば、予防薬またはワクチンについて、正常な健常細胞は興味ある薬またはワクチンに予め曝露され、それから第１のデバイスからの空気媒介性病原体によってコンタミネーションした空気流に曝露され得る。空気媒介性病原体に対する未感染細胞および任意選択の免疫細胞の応答を測定することによって、薬またはワクチンの有効性（例えば、免疫原性）および／または安全性が決定され得る。類似に、治療薬またはワクチン（例えば、抗ウイルスワクチン）について、第１のデバイス内の病原体感染細胞は、第１のデバイスからの空気流を未感染細胞を含む第２のデバイスに導く前に、興味ある薬またはワクチンによって処理され得る。空気媒介性病原体の伝播性の低減または阻害は、治療薬またはワクチンの有効性を示す。
ワクチン（例えば粘膜ワクチン）の開発のために本明細書に記載されるデバイスの１つ以上の実施形態を用いる追加の例は、下に詳細に記載される。
空気媒介性病原体の伝播性を決定するため、空気媒介性病原体のリスク集団を同定するため、および／または空気媒介性病原体に対する薬またはワクチンを開発するための本明細書に記載されるデバイスの使用が、例示的な例として本明細書において提供される。当業者が認識するであろう通り、本明細書に記載される「空気媒介性病原体伝播」モデルは、対象間の体液媒介性病原体（例えば、Ｂ型肝炎、Ｃ型肝炎、および／またはＨＩＶ／ＡＩＤＳ）の伝播を模倣するようにすぐに適応し得る。例えば、「感染」デバイスからの液体状流体の液滴が「未感染」デバイス内の液体状流体に導入され得る。感染液体状流体に対する曝露による未感染細胞（免疫細胞を包含する）の応答、さらには感染細胞（免疫細胞を包含する）の応答が測定されて、体液媒介性病原体（例えば、血液、精液、膣分泌物、脳脊髄液、滑液、胸膜液、心嚢水、腹腔液、羊水、唾液、またはそのいずれかの組み合わせをとおして伝播され得る病原体）の伝播性を決定し得る。
一部の実施形態においては、蛍光標識された高分子（例えば、異なる重量のデキストランまたはＦＩＴＣ）の排除が定量化されて、膜の透過性を決定し、それゆえに上皮のバリア機能を例えば組織特異的な条件（例えば、ＣＯＰＤ、喘息、および喫煙だが、これに限定されない）において評価し得る。例えば、蛍光標識された高分子（例えばイヌリン−ＦＩＴＣだが、これに限定されない）を含有する流体を分化した上皮と培養されたメソチャネル内に流すことは、非侵襲的なバリア測定を提供し得る。機能的なタイトジャンクションバリアは、高分子がメソチャネルからマイクロチャネルへ上皮を通過することを防ぐであろうから、マイクロチャネル内の蛍光標識された高分子の検出の不在は、上皮の機能的なバリア機能を示している。
追加して、組織学的、生物化学的、顕微蛍光測定、および／または機能的な技術が使用されて、膜２０８上のそのインビボカウンターパートの要の構造組織化を再現する機能的な気道内皮の形成を実証し得る。
一例において、膜２０８上で自己アセンブリした組織−組織界面のガス交換機能が、異なる流体（それぞれ、それら自体の酸素分圧および血液を有する）をそれぞれのメソチャネルおよびマイクロチャネル２５０Ａ、２５０Ｂ内に注入することによって決定され得、それによってメソチャネル２５０Ａは「気道内腔」コンパートメントとして作用し、マイクロチャネル２５０Ｂは「微小血管」または「血管」コンパートメントとして作用する。好ましくはデバイス２００内の血液−気体測定デバイスは、デバイスをとおした血液の通過前または後に、それぞれの区間２５０Ａ、２５０Ｂ内の血液中の酸素のレベルを測定するために用いられる。例えば、血液がチャネル２５０Ｂをとおして流れ得、一方で、空気が上側のチャネル２５０Ａ内に注入され、それによって出て来る空気が集められ、測定されて、オキシメータを用いて酸素レベルを決定する。オキシメータは既存のシステムと一体化されるか、または別個のユニットとして１つ以上の主サブチャネルの出口ポートに接続され得る。一実施形態においては、空気または別の媒体が、薬物または微粒子を含有するエアロゾルとデバイスをとおして流れ得、それによって、膜を通って「微小血管」マイクロチャネル内を流れる流体（例えば、血液、培養培地）へのそれらの薬物または微粒子の輸送がそれから測定される。一部の実施形態においては、病原体またはサイトカインが空気または気体状媒体側に添加され得、それから、近傍の毛細血管内皮への微小血管マイクロチャネルに導入された免疫細胞の接着、および血液側から気道側への浮腫液と併せたそれらの通過、さらには血液中への病原体侵入が測定され得る。
上皮の機能性は構成細胞の極性化を要求するので、膜２０８の気道上皮細胞側の極性化をモニタリングするために、透過電子顕微鏡法、免疫組織細胞化学、共焦点顕微鏡法、または他の適切な手段を用いて膜の構造が可視化され得る。気道模倣実施形態において、蛍光色素がメソチャネルおよびマイクロチャネル２５０Ａ、２５０Ｂに加えられて、膜２０８における気道上皮による肺サーファクタント産生を決定し得る。具体的には、膜２０８上の気道上皮細胞は、肺サーファクタントの細胞内貯蔵を特異的に標識する蛍光色素（例えばキナクリン）の細胞取り込みからもたらされる蛍光を測定すること、または特異的な抗体を用いることによってモニタリングされ得る。
デバイス２００のユニークなケイパビリティの１つは、臓器または組織レベルで気道または気管支の炎症性応答をシミュレーションするインビトロモデルの開発を許して、どのように免疫細胞が血液から内皮をとおして気道コンパートメント内に遊走するかの研究を許す。これが達成される１つのやり方は、メソチャネル２５０Ａ内の分化した気道上皮細胞、さらにはマイクロチャネル２５０Ｂ内の流れるヒト全血または本明細書に記載される循環または静的な免疫細胞（例えば、白血球、例えば好中球、および単球）を含有する培養培地への、本明細書に記載される炎症促進性因子（例えばＩＬ−１β、ＴＮＦ−α、ＩＬ−８、シリカマイクロおよびナノ粒子、病原体だが、これに限定されない）のコントロールされたプログラム可能なマイクロ流体送達によってであり得る。膜越しの電気抵抗および短絡電流がモニタリングされて、炎症性応答の間の気道空間内への血管透過性の変化、流体の漏出、および細胞通過を研究し得る。顕微鏡法イメージング、例えば蛍光顕微鏡法が、遊走応答の間の動的な細胞運動挙動を可視化するために用いられ得る。
一部の実施形態において、本明細書に記載されるデバイスは、粘膜免疫プラットホームを開発するため、例えば、免疫細胞リクルート、成熟および活性化、殺細胞、ならびに流入を研究するために用いられ得る（例えば、図１６に示されている通り）。粘膜免疫は、胃腸管および／または呼吸器の粘膜表面において作用する防御免疫の形態であり、摂取または吸入された微生物によるコロニ形成を防ぐ。感染を防ぐために作用する扁桃およびパイエル板などの粘膜関連リンパ組織（ＭＡＬＴ）がある。粘膜層は、通常は上皮バリアによってライニングまたは保護されている。上皮のこの層は、微生物に対する第１の防衛線として働く。微生物が上皮層を破る場合には、粘膜組織が免疫活性の部位である。上皮細胞が危険な微生物構成要素（例えば病原体関連分子パターン）の存在を検出したときには、それらはサイトカインおよびケモカインシグナルを底にある粘膜細胞（例えばマクロファージおよび樹状細胞）に送って、免疫応答を誘発する。上皮細胞は、粘膜炎症に至り得る望ましくない応答が正常なフローラによって活性化されないようにそれらの応答を制御できる。従って、一部の実施形態においては、粘膜免疫モデルを開発するために、メソチャネルに面する膜の表面は胃腸管または呼吸器上皮細胞によってコーティングされて、胃腸管または呼吸器の一部分を模倣し得、一方、マイクロチャネルに面する膜の別の表面は粘膜細胞または免疫細胞（例えばマクロファージおよび樹状細胞）によってコーティングされ得る。
一部の実施形態において、粘膜免疫モデルは、粘膜ワクチン（例えば、Ｓｔｒｅｐに対する粘膜ワクチン）を開発するためおよび／またはワクチン用量を最適化するために用いられ得る。上皮層の制御は粘膜ワクチン用量にとってのチャレンジを呈して来た。例えば、粘膜ワクチンの濃度が十分高くない場合には、粘膜免疫はそれを脅威として認識せず、免疫は発生しないであろう。正しい濃度を見いだすことはチャレンジであり、測定することは難しかった。なぜなら、ワクチンは粘膜分泌によって希釈され、粘液内に捉えられ、プロテアーゼおよびヌクレアーゼによって攻撃され、上皮バリアによって排除され得るからである。本明細書に記載されるデバイスの１つ以上の実施形態において開発された粘膜免疫モデルを用いて、上皮細胞または分化した上皮細胞が異なるワクチン試験候補および／またはその種々の用量に予め曝露され、それから、ワクチン処理されるはずの微生物によってチャレンジされ得る。微生物に対する上皮細胞および／または免疫細胞の応答を測定することによって、ワクチン試験候補の有効性（例えば免疫原性）、安全性、および／または最適な用量が決定され得る。
ワクチンの投与経路（例えば、鼻腔内、経口、筋肉内、皮下、または皮内だが、これに限定されない）に依存して、本明細書に記載されるデバイスの膜は異なる細胞型によってコーティングされて、ワクチンが効果を発揮する微小環境を模倣し得る。例えば、上に記載された通り、膜は鼻腔内ワクチンの開発のためには呼吸器上皮細胞、または経口ワクチンのためには胃腸管上皮細胞によってコーティングされ得る。
上で論じられた通り、一部の実施形態において、本明細書に記載されるデバイスは、感染性疾患をモデリングして感染性病原体の伝播性を決定するために、ならびに／または治療および／もしくは予防処置のための有効な因子（例えば、薬物分子および／またはワクチン）を同定するために用いられ得る。本明細書に記載されるデバイスにおいて感染の存在または不在を検出するために、種々の方法が用いられ得る。例えば、蛍光標識された（例えば、ＧＦＰ発現）病原体（例えば、ウイルスまたは細菌）が用いられるところでは、蛍光標識された病原体に感染した正常な健常細胞が蛍光顕微鏡法によって経時的にまたはリアルタイムで直接的に追跡され得る。代替的にまたは追加して、感染を疑われる細胞はウイルス／細菌蛋白質について免疫染色され、免疫蛍光によって検出され得る。ウイルスまたは細菌が感染細胞に対する細胞変性効果を生じ、例えば感染細胞の上皮の損傷を引き起こし得る一部の実施形態において、感染を疑われる細胞の上皮のインテグリティが光学または蛍光顕微鏡法によって経時的に検査され得る。
本明細書に記載されるデバイスにおける感染の存在または不在を検出するために用いられ得る追加の方法は、例えば病原体（例えば、ウイルス）複製の定量を包含し得るが、これに限定されない。これは、例えば、メソチャネルからの感染を疑われる細胞のエフルエント（「頂端洗浄液」と称され、例えば細胞培養培地を用いる）および／またはマイクロチャネルからのエフルエント（「基礎培地」と称される）を集め、それからプラークアッセイを用いて頂端洗浄液および／または基礎培地中の経時的な病原体成長をタイトレーションすることによって測定され得る。代替的にまたは追加して、感染を疑われる細胞によって分泌されるサイトカイン／ケモカインが、メソチャネルおよび／またはマイクロチャネルから集められたエフルエントの分析によって決定され得る。ＣＸＣＬ１０またはＩＬ−８などのいくつかのサイトカイン／ケモカインは、感染細胞を有するデバイスにおいては未感染細胞と比較して有意に上昇し得る。培養物の感染の後に細胞の抗ウイルス蛋白質（例えばＭＸ蛋白質）が上方制御され得る一部の実施形態において、細胞の抗ウイルス蛋白質（例えばＭＸ蛋白質）は感染を疑われる細胞において免疫蛍光検出のために染色され得る。一部の実施形態においては、（未感染細胞と比較して）病原体（例えば、ウイルス／細菌）感染の後に上方制御されることが公知である少なくとも１つ以上の遺伝子の発現分析が、感染を疑われる細胞に対して、例えばマイクロアレイおよび／または定量的なリアルタイムポリメラーゼ連鎖反応（ｑＲＴ−ＰＣＲ）によって行われ得る。
限定しようとするわけではないが、他の実施形態において、デバイス２００は、どのようにナノマテリアルまたは微粒子が気道−組織界面に関して挙動するかを検査するためにもまた用いられ得る。具体的には、ナノマテリアル（例えばシリカナノ粒子、超常磁性ナノ粒子、金ナノ粒子、単層カーボンナノチューブ）が膜２０８の気道表面に加えられて、膜２０８上で育てられた気道または内皮細胞にナノマテリアルが及ぼす潜在的な毒性効果、さらには気道チャネルから血管チャネル内へのそれらの通過を研究し得る。例えば、センサ１２０が、膜２０８上に形成された組織バリアをとおしたナノマテリアルのトランスマイグレーションと、バリア機能（例えばガス交換および流体／イオン輸送）のナノマテリアルによって誘導される変化とをモニタリングするために用いられ得る。
デバイス２００は、気道／気管支生物学および生理学の種々の重要なエリア（ガス交換、流体／イオン輸送、炎症応答、感染（例えば、ウイルスまたは細菌感染）、浮腫／呼吸窮迫症候群、癌および転移発生、真菌感染、微粒子の繊毛クリアランス、上皮分化、サイトカイン産生、薬物送達、さらには薬物スクリーニング、バイオ検出、および肺のメカノトランスダクションを包含するが、これに限定されない）の直接的な分析を許す。追加して、デバイス２００は、最適な細胞培養を支持、重層構造を形成、および／または細胞に対する剪断を低減するためにより高いチャネル高さを要求する他の生理システム（皮膚、肝臓、消化管、心臓、腸、脈絡叢、胃腸管、糸球体、および癌腫瘍微小環境を包含するが、これに限定されない）に見いだされる生体組織−組織界面を精密にモデリングすることを許す。上述の通り、１つよりも多くのデバイス２００が多重化および自動化されて、薬物、毒素、およびワクチンスクリーニング、さらには毒性学およびバイオ検出応用のための、薬物、ケミカル、微粒子、毒素、病原体、または他の環境刺激に対する細胞および組織応答のハイスループット分析を提供し得る。デバイスは、複雑な組織および臓器生理をインビトロで研究すること、さらには生体適合性または生分解性デバイスによるインビボの組織および臓器工学のために用いられ得る。
一実施形態において、デバイス２００はその中に人工的な組織層を製造するために用いられ得る。本実施形態において、細胞の２つ以上の異なる型が膜２０８の反対の表面上に加えられ、適切な生理的な環境を模倣する条件下で育てられる。追加してまたは代替的に、圧力差が主チャネルと操作用チャネルの少なくとも１つとの間に加えられ得、これはチャネル壁が動くことを引き起こし、それゆえに膜２０８がその平面に沿って膨張／収縮をすることを引き起こす。
気道内の統合された臓器レベル応答を再構成するデバイスのケイパビリティをさらに実証するために、循環するまたは静的な血液中免疫細胞と気道炎症の再現された要のステップとを組み込んだより洗練されたモデルが開発され得る。一般的に、気道における炎症性応答には、初期応答性サイトカインの上皮産生および放出、白血球接着分子の上方制御による血管内皮の活性化、ならびに肺微小循環から気道空間内への爾後の白血球浸潤という高度に調和したマルチステップカスケードが関与する。このプロセスをシミュレーションするために、気道上皮の頂端表面が、例えば強力な炎症促進性メディエータである腫瘍壊死因子−α（ＴＮＦ−α）によって最初に刺激され得、内皮活性化が、例えば細胞間接着分子−１（ＩＣＡＭ−１）の発現を測定することによって検査され得る。気道組織のＴＮＦ−α刺激に応答して、膜の反対の側の内皮細胞はＩＣＡＭ−１のそれらの表面発現を一般的には増大させ得る。さらにその上に、活性化した内皮は、血管マイクロチャネル内を流れるヒト好中球の捕捉および強固な接着を支持し得る。これはサイトカイン曝露の不在下では接着しなかった。ＴＮＦ−αの低用量による上皮細胞の処理は内皮の弱い活性化をもたらし得、これは捕捉された好中球が停止させられることなしに流れの方向に連続的にローリングすることを引き起こした。トランスマイグレーションした好中球は、それから傍細胞ジャンクションをとおして選好的に気道上皮の頂端表面に移住し、流体の流れおよび周期的な引き伸ばしにもかかわらず上皮層上に保持される。これらの連続的なイベントは、微小血管から気道コンパートメントへの好中球リクルートのプロセス全体を複製し得、これは気道炎症のホールマークである。
別の例において、デバイス２００は多孔質膜２０８を利用し、それによって、気道または気管支上皮細胞がメソチャネル２５０Ａに面する膜２０８の１つの側で育てられ、内皮細胞、線維芽細胞、平滑筋細胞、および／または周皮細胞がマイクロチャネル２５０Ｂに面する膜２０８の別の側で維持される。デバイス２００の作動の間に、これらの２つの細胞の層は、膜２０８上の細孔をとおした化学的および分子的刺激の通過によって互いとコミュニケーションする。このコミュニケーションは、どのように細胞が組織−組織界面として異なって機能するかを理解するために、生理的な機械的シミュレーションありでまたはなしで、標準的な組織培養系におけるように孤立した単一の組織型として育てられたときと比較してモニタリングおよび分析され得る。細胞および組織生理の変化、さらにはこの組織−組織界面を越えるケミカル、分子、微粒子、および細胞の通過をモニタリングすることによって、より有効な薬物または治療を製造、以前に未知の毒性を同定、およびこれらの開発プロセスのタイムスケールを有意に短縮するために用いられ得る情報が得られる。具体的には、かかるコントロールされた環境における細胞の挙動は、従来のインビトロ培養技術を用いては再現され得ない上述のシステムにおいて起こる種々の生理的現象を研究者が研究することを許す。換言すると、デバイス２００は、患者の体外で、気道または気管支の要の生理機能および構造を尚保持するコントロール可能な環境において、モニタリング可能な人工血液または液体−空気バリアを作り出すように機能する。上のデバイスは気道または気管支機能を模倣することに関して記載されているが、他の生理的な系（例えば、生体の微生物集団を含有する胃腸管における蠕動および吸収、腎臓における灌流および尿産生、血管−脳関門の機能、皮膚老化に及ぼす機械的変形の効果、造血幹細胞ニッチを有する骨髄−微小血管界面、および同様のもの）を模倣するようにデバイスが容易に構成され得るということは注意されるべきである。
一部の実施形態においては、一実施形態に従う臓器模倣デバイスが本明細書において提供され、これは２つの膜によって分離された３つ以上の平行なチャネルを含有する。臓器模倣デバイスは、少なくとも１つのメソチャネル２５０Ａおよび少なくとも１つのマイクロチャネル２５０Ｂを包含し得る。例えば、１つの実施形態においては、１つのメソチャネル２５０Ａが２つのマイクロチャネル２５０Ｂの間に位置し得る。一部の実施形態において、デバイスは本明細書に記載される操作用チャネルをさらに含み得る。主チャネル全体は、それぞれの平行なｘ−ｙ平面に沿って位置する複数の膜を包含し、それらは主チャネルを区分して３つの別個の主サブチャネル（例えば、２つのマイクロチャネルおよび１つのメソチャネル）にする。膜は透過性且つリジッドまたはフレキシブルであり得る。陽および／または陰圧の媒体が操作用チャネルを通して加えられて、圧力差を作り出し、それによって、膜がそれらのそれぞれの平面に沿って平行に引き伸ばされて引き戻されることを引き起こし得る。
膜表面処理、ならびにデバイスを操作する際に膜におよび／またはメソチャネル２５０Ａおよびマイクロチャネル２５０Ｂをとおして加えられ得る媒体の型の詳細が、ここで論じられる。膜（例えば、多孔質膜を包含する）は、種々の細胞接着促進物質またはＥＣＭ蛋白質などの物質（例えば、フィブロネクチン、ラミニン、種々のコラーゲン型、糖蛋白質、ビトロネクチン、エラスチン、フィブリン、プロテオグリカン、ヘパリン硫酸、コンドロイチン硫酸、硫酸ケラタン（keratin sulfate）、ヒアルロン酸、フィブロイン、キトサン、またはそのいずれかの組み合わせ）によってコーティングされ得る。一般的に、１つ以上の細胞接着分子が膜２０８の１つの表面上においてコーティングされ、一方で、別の細胞接着分子が膜２０８の反対の表面に加えられるか、または両方の表面が同じ細胞接着分子によってコーティングされ得る。一部の実施形態において、ＥＣＭ（初代細胞または胚性幹細胞などの細胞によって産生されるＥＣＭであり得る）および他の組成物は血清不含環境において産生される。
一実施形態においては、膜を細胞接着因子および／または正荷電分子によってコーティングし、それらは膜に結合されて細胞取り付きを改善し、細胞成長を安定化する。正荷電分子は、ポリリジン、キトサン、ポリ（エチレンイミン）、または（アクリルアミドまたはメタクリルアミドから重合され、第一級、第二級、もしくは第三級アミン、または第四級塩の形態の正荷電基を組み込んだ）アクリル類からなる群から選択され得る。細胞接着因子は膜に添加され得、フィブロネクチン、ラミニン、種々のコラーゲン型、糖蛋白質、ビトロネクチン、エラスチン、フィブリン、プロテオグリカン、ヘパリン硫酸、コンドロイチン硫酸、硫酸ケラタン（keratin sulfate）、ヒアルロン酸、テネイシン、抗体、アプタマ、またはその細胞結合ドメインを有する断片もしくはアナログである。正荷電分子および／または細胞接着因子は膜に共有結合され得る。別の実施形態において、正荷電分子および／または細胞接着因子は互いに共有結合され、正荷電分子または細胞接着因子どちらかが膜に共有結合される。また、正荷電分子もしくは細胞接着因子または両方は、膜に非共有結合された安定なコーティングの形態で提供され得る。
一実施形態において、細胞取り付き促進物質、マトリックス形成処方物、および他の組成物は滅菌されて、不要のコンタミネーションを防ぐ。滅菌は、例えば紫外光、濾過、ガスプラズマ、オゾン、エチレンオキシド、および／または熱によって達成され得る。抗生物質もまた特にインキュベーションの間に添加され得、細菌、真菌、および他の望まれない微生物の成長を防ぐ。かかる抗生物質は、限定しない例として、ゲンタマイシン、ストレプトマイシン、ペニシリン、アムホテリシン、およびシプロフロキサシンを包含する。
一部の実施形態において、本明細書に記載されるデバイスの膜および／または他のコンポーネントは、ガスプラズマ、荷電粒子、紫外光、オゾン、またはそのいずれかの組み合わせを用いて処理され得る。
細胞：別の実施形態において、膜の少なくとも１つの側は細胞培養物（限定なしに、初代細胞培養、樹立細胞株、または幹細胞培養、例えばＥＳＣ、もしあったらＥＣＭ物質および／または細胞接着分子に取り付いたｉＰＳＣを包含する）によってコーティングされるか、またはそれと培養される。いずれかの原核および真核細胞（例えば、ヒト細胞、動物細胞、昆虫細胞、植物細胞、細菌、真菌、および／または寄生虫を包含するが、これに限定されない）が、本明細書に記載されるデバイスに用いられ得る。一部の実施形態においては、哺乳類細胞（例えば、ヒトまたは動物）が本明細書に記載されるデバイスに用いられる。通常は、動物は、脊椎動物、例えば霊長類、げっ歯類、家畜、または狩猟動物である。霊長類は、チンパンジー、カニクイザル、クモザル、およびマカク、例えばアカゲを包含する。げっ歯類は、マウス、ラット、マーモット、フェレット、ウサギ、およびハムスターを包含する。家畜および狩猟動物は、乳牛、馬、ブタ、鹿、バイソン、バッファロー、ネコ科の種、例えば、家猫、イヌ科の種、例えば、犬、狐、オオカミ、ならびに鳥類種、例えば、ニワトリ、エミュー、ダチョウ、および猟鳥を包含する。一部の実施形態において、動物細胞は、魚、爬虫類、および両生類からの細胞を包含する。細胞は、正常な健常対象（例えば、ヒトまたは動物）または疾患もしくは障害の特定の型もしくはステージを有するということが決定された対象（例えば、ヒトまたは動物）に由来し得る。
本発明の一部の実施形態によれば、細胞は無脊椎動物に由来し得る。例えば、無脊椎動物は原生動物、環形動物、軟体動物、甲殻類、クモ類、棘皮動物、および昆虫を包含し得るが、これに限定されない。
一部の実施形態においては、昆虫細胞が本明細書に記載されるデバイスに用いられ得る。一部の実施形態においては、植物細胞が本明細書に記載されるデバイスに用いられ得る。一部の実施形態においては、真菌に由来する細胞が本明細書に記載されるデバイスに用いられ得る。真菌の例はキノコ、カビ、および酵母を包含し得るが、これに限定されない。本発明の一部の実施形態によれば、微生物に由来する細胞が本明細書に記載されるデバイスに用いられ得る。微生物の例は細菌およびウイルスを包含し得るが、これに限定されない。
一実施形態において、膜のどちらかの側に取り付けられた細胞は、上皮細胞、内皮細胞、線維芽細胞、平滑筋細胞、基底細胞、繊毛細胞、円柱細胞、杯細胞、筋細胞、免疫細胞、神経細胞、造血細胞、肺細胞（例えば、肺胞上皮細胞、気道細胞（例えば、細気道細胞および大気道細胞）、気管支細胞、気管細胞、および鼻腔上皮細胞）、消化管細胞、脳細胞、幹細胞、皮膚細胞、肝臓細胞、心臓細胞、脾臓細胞、腎臓細胞、膵臓細胞、腸細胞、角化細胞、皮膚角化細胞、生殖細胞、血球（例えば、白血球、赤血球、血小板、ならびに造血幹および前駆細胞を包含する）、およびそのいずれかの組み合わせを包含し得る。他の実施形態において、初代細胞または細胞株は線維芽細胞であり得、それらは限定なしにヒト胎児線維芽細胞を包含する。一部の実施形態において、幹細胞培養の幹細胞は胚性幹細胞である。胚性幹細胞の供給源は限定なしに哺乳類を包含し得、非ヒト霊長類およびヒトを包含する。ヒト胚性幹細胞の限定しない例は、株ＢＧ０１、ＢＧ０２、ＢＧ０３、ＢＧ０１ｖ、ＣＨＡ−ｈＥＳ−１、ＣＨＡ−ｈＥＳ−２、ＦＣＮＣＢＳ１、ＦＣＮＣＢＳ２、ＦＣＮＣＢＳ３、Ｈ１、Ｈ７、Ｈ９、Ｈ１３、Ｈ１４、ＨＳＦ−１、Ｈ９．１、Ｈ９．２、ＨＥＳ−１、ＨＥＳ−２、ＨＥＳ−３、ＨＥＳ−４、ＨＥＳ−５、ＨＥＳ−６、ｈＥＳ−１−２、ｈＥＳ−３−０、ｈＥＳ−４−０、ｈＥＳ−５−１、ｈＥＳ−８−１、ｈＥＳ−８−２、ｈＥＳ−９−１、ｈＥＳ−９−２、ｈＥＳ−１０１、ｈＩＣＭ８、ｈＩＣＭ９、ｈＩＣＭ４０、ｈＩＣＭ４１、ｈＩＣＭ４２、ｈＩＣＭ４３、ＨＳＦ−６、ＨＵＥＳ−１、ＨＵＥＳ−２、ＨＵＥＳ−３、ＨＵＥＳ−４、ＨＵＥＳ−５、ＨＵＥＳ−６、ＨＵＥＳ−７、ＨＵＥＳ−８、ＨＵＥＳ−９、ＨＵＥＳ−１０、ＨＵＥＳ−１１、ＨＵＥＳ−１２、ＨＵＥＳ−１３、ＨＵＥＳ−１４、ＨＵＥＳＳ−１５、ＨＵＥＳ−１６、ＨＵＥＳ−１７、１３、１４、１６、１３．２、１３．３、１６．２、Ｊ３、Ｊ３．２、ＭＢ０１、ＭＢ０２、ＭＢ０３、Ｍｉｚ−ｈＥＳ１、ＲＣＭ−１、ＲＬＳＥＳ０５、ＲＬＳＥＳ０７、ＲＬＳＥＳ１０、ＲＬＳＥＳ１３、ＲＬＳＥＳ１５、ＲＬＳＥＳ２０、ＲＬＳＥＳ２１、ＳＡ０１、ＳＡ０２、およびＳＡ０３を包含する。一実施形態において、幹細胞培養の幹細胞は人工多能性幹細胞である。
一実施形態において、細胞培養は、血清不含である初代細胞培養または幹細胞培養などの細胞培養であり得る。いくつかのそれらの実施形態においては、血清不含初代細胞ＥＣＭが初代細胞血清不含培地（ＳＦＭ）と併せて用いられる。好適なＳＦＭは、限定なしに（ａ）ＥＰＩＬＩＦＥ（登録商標）成分既知Ｇｒｏｗｔｈサプリメントを補われたＥＰＩＬＩＦＥ（登録商標）血清不含培養培地および（ｂ）成分既知角化細胞ＳＦＭＧｒｏｗｔｈサプリメントを補われた成分既知角化細胞ＳＦＭを包含し、全てＧｉｂｃｏ／インビトロジェン（米国カリフォルニア、カールスバッド）から市販されている。これらの実施形態のいくつかにおいて、血清不含幹細胞ＥＣＭが幹細胞ＳＦＭと併せて用いられる。好適なＳＦＭは、限定なしに、基礎線維芽細胞増殖因子およびベータ−メルカプトエタノールを補われたＳＴＥＭＰＲＯ（登録商標）ｈＥＳＣ血清不含培地（ＳＦＭ）、ＫＮＯＣＫＯＵＴ（商標）ＳｅｒｕｍＲｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ（ＳＲ）を補われたＫＮＯＣＫＯＵＴ（商標）Ｄ−ＭＥＭ、ＳＴＥＭＰＲＯ（登録商標）ＭＳＣＳＦＭ、およびＳＴＥＭＰＲＯ（登録商標）ＮＳＣＳＦＭを包含する（全てＧｉｂｃｏ／インビトロジェン（米国カリフォルニア州カールスバッド）から市販）。
一実施形態において、組成物はゼノフリーでもまたあり得る。組成物は、細胞が由来する動物の種よりも他のいずれかの動物からの物質を持っていないときに「ゼノフリー」と言われる。一実施形態において、初代細胞培養物または幹細胞培養物などの細胞培養物であり得る細胞培養物はゼノフリーである。これらの実施形態において、ゼノフリーＥＣＭは、初代細胞ＥＣＭまたは幹細胞成長もしくは分化を支持するように特にデザインされたＥＣＭなどのＥＣＭであり得る。これらのマトリックスはゼノフリーであるように特にデザインされ得る。
一実施形態において、細胞培養物は、ならし培養培地中で培養された初代細胞または幹細胞である。他の実施形態において、培養培地は非ならし培養培地である。
一実施形態において、細胞培養条件は完全に定められる。それらの実施形態においては、完全に成分既知の細胞培養培地を流体チャンバ内に用いる。好適な培地は、限定なしに、初代細胞のためにはＥＰＩＬＩＦＥ（登録商標）成分既知Ｇｒｏｗｔｈサプリメントを補われたＥＰＩＬＩＦＥ（登録商標）血清不含培養培地、幹細胞のためには、ＳＴＥＭＰＲＯ（登録商標）ｈＥＳＣＳＦＭを包含する（全てＧｉｂｃｏ／インビトロジェン（米国カリフォルニア、カールスバッド）から市販）。
試験因子（例えば、医薬、環境ストレッサ、病原体、毒素など）の効果を研究するためには、チャネル内の膜に取り付いた細胞を育てることにとって好適な望まれる細胞培養培地に、それらを添加し得る。それゆえに、病原体、例えば細菌、ウイルス、エアロゾル、ナノ粒子の種々の型、毒素、気体状物質などを培養培地に導入し得、これがチャンバ内を流れて細胞にフィードする。
当業者は細胞の代謝活性に従って培地のｐＨバランスをもまたコントロールして、問題のいずれかの細胞または組織型にとって好適なレベルにｐＨを維持できるであろう。ｐＨをモニタリングおよび調整するためのモニタおよび調整システムがデバイスに挿入され得る。
膜は、好ましくは１つのまたは両方の側において細胞、分子、または他の物体によってコーティングされ、それによって、デバイスは、膜を介するメソチャネルおよびマイクロチャネルの間のならびに／またはそれに沿った細胞挙動をモニタリングするためのコントロールされた環境を提供する。多細胞生物からのいずれかの細胞をデバイスに用い得る。例えば、人体は、細胞の少なくとも２１０個の公知の型を含む。当業者は、デバイス内の細胞の有用な組み合わせを容易に構築し得る。デバイスに用いられ得る細胞型（例えば、ヒト）は外皮系の細胞を包含するが、これに限定されず、角化上皮細胞、表皮角化細胞（分化している表皮細胞）、表皮基底細胞（幹細胞）、指の爪および足の爪の角化細胞、爪床基底細胞（幹細胞）、毛髄質細胞、皮質毛幹細胞、クチクラ毛幹細胞、クチクラ毛根鞘細胞、ハックスレイ層の毛根鞘細胞、ヘンレ層の毛根鞘細胞、外毛根鞘細胞、毛母細胞（幹細胞）、湿潤部重層バリア上皮細胞、例えば角膜、舌、口腔、食道、肛門管、遠位尿道、および膣の重層扁平上皮の表面上皮細胞、角膜、舌、口腔、食道、肛門管、遠位尿道、および膣の上皮の基底細胞（幹細胞）、泌尿器上皮細胞（膀胱および尿管をライニングする）、外分泌上皮細胞、例えば唾液腺粘膜細胞（多糖に富む分泌）、唾液腺漿液細胞（糖蛋白質酵素に富む分泌）、舌のフォン・エブネル腺細胞（味蕾を洗浄）、乳腺細胞（母乳分泌）、涙腺細胞（涙分泌）、耳の耳道腺細胞（耳垢分泌）、エクリン汗腺暗細胞（糖蛋白質分泌）、エクリン汗腺明細胞（低分子分泌）、アポクリン汗腺細胞（臭腺分泌、性ホルモン感受性）、目蓋のＭｏｌｌ腺細胞（特化した汗腺）、脂腺細胞（脂質に富む皮脂分泌）、鼻のボウマン腺細胞（嗅覚上皮を洗浄）、十二指腸のブルンナ腺細胞（酵素およびアルカリ性粘液）、精嚢腺細胞（精子を泳がせるためのフルクトースを包含する精液構成要素を分泌する）、前立腺細胞（精液構成要素を分泌）、尿道球腺細胞（粘液分泌）、バルトリン腺細胞（膣潤滑液分泌）、リトレー腺細胞（粘液分泌）、子宮内膜細胞（炭水化物分泌）、呼吸器および消化管の単離杯細胞（粘液分泌）、胃をライニングする粘膜細胞（粘液分泌）、胃腺酵素原細胞（ペプシノゲン分泌）、胃腺酸分泌細胞（塩酸分泌）、膵臓腺房細胞（重炭酸塩および消化酵素分泌）、膵臓内分泌細胞、小腸のパネート細胞（リゾチーム分泌）、腸上皮細胞、肺のＩおよびＩＩ型肺胞上皮細胞（サーファクタント分泌）、および／または肺のクララ細胞を包含するが、これに限定されない。
膜を、ホルモン分泌細胞、例えば、膵臓のランゲルハンス（Langerhands）島の内分泌細胞、脳下垂体細胞、ソマトトロープ、ラクトトロープ、サイロトロープ、ゴナドトロープ、コルチコトロープ、脳下垂体中葉細胞（メラニン細胞刺激ホルモンを分泌）、および大細胞性神経分泌細胞（オキシトシンまたはバソプレッシンを分泌）、消化管および呼吸器細胞（セロトニン、エンドルフィン、ソマトスタチン、ガストリン、セクレチン、コレシストキニン、インスリン、グルカゴン、ボンベシンを分泌）、甲状腺細胞、例えば甲状腺上皮細胞、濾胞傍細胞、副甲状腺細胞、副甲状腺チーフ細胞、好酸性細胞、副腎細胞、クロム親和性細胞（ステロイドホルモン（ミネラルコルチコイドおよびグルココルチコイド）を分泌）、精巣のライディッヒ細胞（テストステロンを分泌）、卵胞の内莢膜細胞（エストロゲンを分泌）、破裂卵胞の黄体細胞（プロゲステロンを分泌）、顆粒膜黄体細胞、卵胞膜ルテイン細胞、糸球体傍細胞（レニン分泌）、腎臓の緻密斑細胞、腎臓の周血管極細胞、ならびに／または腎臓のメサンギウム細胞によってもまたコーティングし得る。
追加してまたは代替的に、膜の少なくとも１つの側を代謝および貯蔵細胞、例えば肝細胞（肝臓細胞）、白色脂肪細胞、褐色脂肪細胞、肝臓リポサイトによって処理し得る。バリア機能細胞（肺、消化管、外分泌腺、および尿生殖路）または腎臓細胞、例えば腎臓糸球体壁細胞、腎臓糸球体ポドサイト、腎臓近位尿細管刷子縁細胞、細部ヘンレループ細胞、腎臓遠位尿細管細胞、および／または腎臓集合管細胞をもまた用い得る。
デバイスに用いられ得る他の細胞は、Ｉ型肺胞上皮細胞（肺の気腔をライニングする）、膵管細胞（腺房中心細胞）、非線条管細胞（汗腺、唾液腺、乳腺などの）、主細胞、間在細胞、管細胞（精嚢腺、前立腺などの）、腸刷子縁細胞（微絨毛を有する）、外分泌腺線条管細胞、胆嚢上皮細胞、精巣輸出管（Ductulus efferens）非繊毛細胞、精巣上体主細胞、および／または精巣上体基底細胞を包含する。
閉じられた内部体腔をライニングする上皮細胞、例えば滑膜細胞（関節腔をライニングする。ヒアルロン酸分泌）、漿膜細胞（腹膜、胸膜、および心膜腔をライニングする）、扁平細胞（耳の外リンパ腔をライニングする）、扁平細胞（耳の内リンパ腔をライニングする）、微絨毛を有する内リンパ嚢の円柱細胞（耳の内リンパ腔をライニングする）、微絨毛を有さない内リンパ嚢の円柱細胞（耳の内リンパ腔をライニングする）、暗細胞（耳の内リンパ腔をライニングする）、前庭膜細胞（耳の内リンパ腔をライニングする）、血管条基底細胞（耳の内リンパ腔をライニングする）、血管条辺縁細胞（耳の内リンパ腔をライニングする）、クラウディウス細胞（耳の内リンパ腔をライニングする）、ベッチャー細胞（耳の内リンパ腔をライニングする）、脈絡叢細胞（脳脊髄液分泌）、柔膜クモ膜扁平細胞、眼の色素繊毛上皮細胞、眼の無色素繊毛上皮細胞をもまた用い得る。
次の細胞は、培養培地中で膜の表面にそれらを添加することによってデバイスに用いられ得る。それらの細胞は、プロペラ機能を有する繊毛細胞などの細胞、例えば呼吸器繊毛細胞、卵管繊毛細胞（女性）、子宮内膜繊毛細胞（女性）、精巣網繊毛細胞（男性）、精巣輸出管（Ductulus efferens）繊毛細胞（男性）、および／または中枢神経系の繊毛上衣細胞（頭蓋腔をライニングする）を包含する。
特化したＥＣＭを分泌する細胞、例えばエナメル芽細胞上皮細胞（歯のエナメル分泌）、耳の前庭器の半月平面上皮細胞（プロテオグリカン分泌）、コルチ器歯間上皮細胞（有毛細胞を被覆する分泌性の蓋膜）、疎性結合組織線維芽細胞、角膜線維芽細胞（角膜ケラチノサイト）、腱線維芽細胞、骨髄網状組織線維芽細胞、他の非上皮線維芽細胞、周皮細胞、椎間板の髄核細胞、セメント芽細胞／セメント細胞（歯根骨様セメント質分泌）、象牙芽細胞／象牙細胞（歯の象牙質分泌）、硝子軟骨軟骨細胞、線維軟骨軟骨細胞、弾性軟骨軟骨細胞、骨芽細胞／骨細胞、骨前駆細胞（骨芽細胞の幹細胞）、眼の硝子体のヒアロサイト、耳の外リンパ腔の星細胞、肝星細胞（伊東細胞）、および／または膵星細胞をもまたプレーティングし得る。
追加してまたは代替的に、収縮細胞、例えば骨格筋細胞、赤色骨格筋細胞（遅）、白色骨格筋細胞（速）、中間骨格筋細胞、筋紡錘の核嚢細胞、筋紡錘の核鎖細胞、衛星細胞（幹細胞）、心筋細胞、固有心筋細胞、結節心筋細胞、プルキンエ線維細胞、平滑筋細胞（種々の型）、虹彩の筋上皮細胞、外分泌腺の筋上皮細胞が本デバイスに用いられ得る。
次の細胞もまた本デバイスに用いられ得る。血液および免疫系細胞、例えばエリスロサイト（赤血球）、巨核球（血小板前駆体）、単球、結合組織マクロファージ（種々の型）、表皮ランゲルハンス細胞、破骨細胞（骨中）、樹状細胞（リンパ組織中）、小膠細胞（中枢神経系中）、好中球顆粒球、好酸球、好塩基球、マスト細胞、ヘルパーＴ細胞、サプレッサーＴ細胞、細胞傷害性Ｔ細胞、ナチュラルキラーＴ細胞、Ｂ細胞、ナチュラルキラー細胞、網状赤血球、血液および免疫系の幹細胞およびコミットメントした前駆体（種々の型）。これらの細胞を単一の細胞型としてまたは混合物で用いて、組織培養システムにおいて免疫細胞の効果を決定し得る。
膜を１つ以上の神経系細胞、感覚伝達細胞、例えばコルチ器の内耳有毛細胞、コルチ器の外耳有毛細胞、嗅覚上皮の基底細胞（嗅覚ニューロンの幹細胞）、冷感受性一次感覚ニューロン、高温感受性一次感覚ニューロン、表皮のメルケル細胞（タッチセンサ）、嗅覚受容体ニューロン、痛み感受性一次感覚ニューロン（種々の型）、眼の網膜の光受容体細胞（光受容体桿体細胞、眼の光受容体青色感受性錐体細胞、眼の光受容体緑色感受性錐体細胞、眼の光受容体赤色感受性錐体細胞を包含する）、固有受容性一次感覚ニューロン（種々の型）、タッチ感受性一次感覚ニューロン（種々の型）、Ｉ型頸動脈小体細胞（血液ｐＨセンサ）、ＩＩ型頸動脈小体細胞（血液ｐＨセンサ）、耳の前庭器のＩ型有毛細胞（加速および重力）、耳の前庭器のＩＩ型有毛細胞（加速および重力）、および／またはＩ型味蕾細胞によってもまた処理し得る。
さらに、自律ニューロン細胞、例えばコリン作動性神経細胞（種々の型）、アドレナリン作動性神経細胞（種々の型）、ペプチド作動性神経細胞（種々の型）を本デバイスに用い得る。さらに、感覚器および末梢ニューロン支持細胞もまた用いられ得る。それらは、例えばコルチ器の内柱細胞、コルチ器の外柱細胞、コルチ器の内指節細胞、コルチ器の外指節細胞、コルチ器の境界細胞、コルチ器のヘンセン細胞、前庭器支持細胞、Ｉ型味蕾支持細胞、嗅覚上皮支持細胞、シュワン細胞、衛星細胞（末梢神経細胞体を被包）、および／または消化管グリア細胞を包含する。一部の実施形態においては、中枢神経系ニューロンおよびグリア細胞、例えばアストロサイト（種々の型）、ニューロン細胞（尚あまり分類されていない多種多様な型）、オリゴデンドロサイト、および紡錘形ニューロンをもまた用い得る。
水晶体細胞、例えば前部水晶体上皮細胞およびクリスタリン含有水晶体線維細胞もまた本デバイスに用いられ得る。追加して、色素細胞、例えばメラニン細胞および網膜色素上皮細胞、ならびに生殖細胞、例えば卵祖細胞／卵子、精子細胞、精母細胞、精原細胞（精母細胞の幹細胞）、および精子を用い得る。
一部の実施形態においては、膜にナース細胞、卵胞細胞、セルトリ細胞（精巣内）、胸腺上皮細胞を添加し得る。間質細胞、例えば間質腎臓細胞をもまた用い得る。
一実施形態においては、膜の少なくとも１つの側を上皮細胞によってコーティングし得る。上皮は、体のあちらこちらの構造の空洞および表面をライニングする細胞からなる組織である。多くの腺もまた上皮組織から形成される。これは結合組織の上に在り、２つの層は基底膜によって分離されている。ヒトにおいて、上皮は一次体組織として分類され、その他のものは結合組織、筋肉組織、および神経組織である。上皮は多くの場合に（ニューロンおよび結合組織の細胞によって用いられるｎ−カドヘリンに対して）接着分子ｅ−カドヘリンの発現によって定められる。
上皮細胞の機能は分泌、選択的吸収、保護、経細胞性輸送、および感覚の検出を包含し、それらは普通は結果として広範囲の頂端−側底極性（例えば、発現される異なる膜蛋白質）および特化を呈する。上皮細胞の例は、薄い平たいプレートの外見を有する扁平細胞を包含する。それらは組織内において密に詰まり、平滑な低摩擦表面を提供し、その上を流体が容易に動き得る。核の形状は通常は細胞形態に対応しており、上皮の型を同定することを助ける。細胞の薄い平たくなった形態ゆえに、扁平細胞は水平方向に平たくなった楕円形の核を有する傾向がある。従来、扁平上皮は単純受動拡散を利用して表面をライニングすることが見いだされる（例えば、肺の肺胞上皮）。特化した扁平上皮は、血管（内皮）および心臓（中皮）などの空洞、ならびに体内に見いだされる主な空洞のライニングをもまた形成する。
上皮細胞の別の例は立方細胞である。立方細胞は形状がおおよそ立方形であり、断面は正方形に見える。各細胞は球形の核を中心に有する。立方上皮は、分泌性または吸収性の組織に、例えば（分泌性）外分泌腺、膵臓、および（吸収性）腎細管、さらには腺の管のライニングに普通に見いだされる。それらは生殖上皮をもまた構成し、これは女性卵巣においては卵細胞を、男性精巣においては精子細胞を生ずる。
上皮細胞のまだ別の型は円柱上皮細胞であり、それらは細長く、円柱形状である。それらの核は細長であり、通常は細胞の基部に近く配置される。円柱上皮は胃および腸のライニングを形成する。一部の円柱細胞は例えば鼻、耳、および舌の味蕾において感覚受容に特化している。杯細胞（単細胞腺）は十二指腸の円柱上皮細胞間に見いだされる。それらは粘液を分泌し、これは潤滑剤として作用する。
上皮細胞の尚別の例は偽重層細胞である。これらは単純な円柱上皮細胞であり、その核は異なる高さに現れ、細胞が断面を見られたときには上皮が重層であるという誤った（ゆえに「偽」）印象を与える。偽重層上皮は、繊毛と呼ばれるそれらの頂端（管腔側）膜の微細な毛様伸長部をもまた所有し得る。このケースにおいて、上皮は「繊毛」偽重層上皮として記載される。繊毛は、細胞骨格微小管の相互作用をとおして一定の方向にエネルギ依存的な拍動性振動ができ、構造蛋白質および酵素に接続できる。生じた繊毛運動効果は杯細胞によって局所的に分泌された粘液が（潤滑化し、病原体および粒子をトラップして）、その方向に（典型的には体外へ）流れることを引き起こす。繊毛上皮は気道（鼻、気管支）に見いだされるが、女性の子宮および輸卵管にもまた見いだされ、そこでは繊毛が卵子を子宮へ駆り立てる。
上皮は、体の外側（皮膚）および内側の空洞、ならびに内腔両方をライニングする。我々の皮膚の最も外側の層は死んだ重層扁平の角質化した上皮細胞からなる。
口、食道、および直腸の一部の内側をライニングしている組織は、角質化していない重層扁平上皮からなる。外部環境から体腔を分離する他の表面は、単純な扁平、円柱、または偽重層上皮細胞によってライニングされている。他の上皮細胞は肺、胃腸管、生殖および尿路の内側をライニングし、外分泌および内分泌腺を作り上げる。角膜の外表面は、速く育つ容易に再生される上皮細胞によって被覆されている。内皮（血管、心臓、およびリンパ管の内張り）は上皮の特化した形態である。別の型の中皮は心膜、胸膜、および腹膜の壁を形成する。
従って、応用可能な細胞型を膜上にプレーティングすること、および／または膜の応用可能な機械的調節を加えて細胞に対する生理的または人工的な機械的な力を提供して、皮膚に対する張力または肺に対する機械的歪みなどの生理的な力を模倣することによって、記載される細胞培養デバイス内において、これらの組織のいずれかを再現し得る。一実施形態において、膜の１つの側は上皮細胞によってコーティングされ、別の側は内皮細胞によってコーティングされる。内皮細胞の例は、血管およびリンパ管内皮有窓細胞、血管およびリンパ管内皮連続細胞、血管およびリンパ管内皮脾臓細胞、角膜内皮細胞、およびそのいずれかの組み合わせを包含するが、これに限定されない。
内皮は、血管およびリンパ管の内表面をライニングする細胞の薄層であり、内腔内の循環血液またはリンパと管壁の残りとの間に界面を形成する。血液と直接的な接触をする内皮細胞は血管内皮細胞であり、一方で、リンパと直接的な接触をするものはリンパ管内皮細胞として公知である。内皮細胞は心臓から最も小さい毛細血管まで循環系全体をライニングする。これらの細胞は血液の流れの乱れを低減して、流体がさらに圧送されることを許す。
解剖学の基礎的なモデルは、どのような組織からそれらが発生するのかに基づいて内皮細胞と上皮細胞との間に区別をなし、ケラチンフィラメントではなくビメンチンの存在がそれらを上皮細胞から分離すると述べている。心室の内部表面の内皮は心内膜と呼ばれる。毛細血管およびリンパ管両方は、単層と呼ばれる内皮細胞の一層からなる。内皮細胞は血管生物学の多くの側面に関与し、血管狭窄および血管拡張、ゆえに血圧のコントロール、凝血（血栓症＆線維素溶解）、アテローム性動脈硬化、新しい血管の形成（血管新生）、炎症およびバリア機能を包含する。内皮は血管内腔と周辺組織との間の選択的なバリアとして作用し、血流を出入りする物質の通過および白血球の通行をコントロールしている。内皮単層の透過性の過剰なまたは長時間の増大は、慢性炎症の場合のように、組織浮腫／膨潤に至り得る。いくつかの臓器には、特化した「濾過」機能を果たすための高度に分化した内皮細胞がある。かかるユニークな内皮構造の例は腎糸球体および血管−脳関門を包含する。
一実施形態において、培養された内皮細胞を含有する膜側は、種々の試験因子、および下側マイクロチャネルを流れる白血球または特定の免疫系細胞にもまた曝露されて、組織レベルでの免疫系細胞の機能に試験因子が及ぼす効果を研究し得る。
本明細書に記載されるデバイスは、予め播種された細胞もしくは予め形成された組織構造ありで、または予め播種された細胞なしで提供され得る。
本明細書に記載される臓器模倣デバイスを用いて、ゼノバイオティクスのバイオトランスフォーメーション、吸収、クリアランス、代謝、および活性化、さらには薬物送達を研究し得る。腸におけるような上皮層、血管におけるような内皮層、および血管−脳関門越しの化学的および生物学的因子のバイオアベイラビリティおよび輸送もまた研究され得る。化学的因子の急性の基本的毒性、急性の局所毒性または急性の臓器特異的毒性、催奇形性、遺伝毒性、発癌性、および変異原性もまた研究され得る。感染性の生物学的因子、生物兵器、有害な化学的因子、および化学兵器の効果もまた検出および研究され得る。感染性疾患、およびそれらの疾患を処置するための化学的および生物学的薬剤の有効性、さらにはそれらの薬剤の最適用量範囲が研究され得る。化学的および生物学的薬剤に対するインビボの臓器の応答、ならびにそれらの薬剤の薬物動態および薬力学が、本デバイスを用いて検出および研究され得る。薬剤に対する応答に及ぼす遺伝子コンテンツのインパクトが研究され得る。化学的または生物学的薬剤に応答した蛋白質および遺伝子発現の量が決定され得る。化学的または生物学的薬剤に応答した代謝の変化もまた本デバイスを用いて研究され得る。
臓器模倣デバイスの利点は、従来の細胞培養または組織培養に対して数多い。例えば、細胞が臓器模倣デバイス内に置かれたときには、線維芽細胞、ＳＭＣ（平滑筋細胞）、内皮細胞、および／または上皮細胞分化が起こり得、これはインビボの状況に近い定められた３次元アーキテクチャ上の組織−組織関係性を再確立し、細胞機能および医薬または活性物質または製品に対する応答が組織および臓器レベルで研究され得る。
追加して、多くの細胞または組織活性は臓器模倣デバイス内での検出が適用可能であり、輸送される流れのチャネル内における層状組織内へのおよびそれをとおした薬物の拡散速度、異なる層における細胞形態、分化、および分泌の変化、細胞ロコモーション、成長、アポトーシス、および同様のものを包含するが、これに限定されない。さらに、システムの異なる層に配置された細胞の異なる型に種々の薬物が及ぼす効果が容易に評価され得る。
創薬については、例えば、本明細書に記載される臓器模倣デバイスを用いることには２つの利点があり得る。（１）臓器模倣デバイスは、組織のインビボの層状のアーキテクチャをより良好に模倣でき、そのため、細胞および組織レベルに追加して臓器レベルで薬物の効果を研究することを許す。（２）臓器模倣デバイスは、薬物セレクションおよび毒性学研究のためのインビボ組織モデルの使用および動物の使用を減少させる。
創薬および薬物開発に追加して、本明細書に記載される臓器模倣デバイスは基礎および臨床研究にもまた有用であり得る。例えば、臓器模倣デバイスは腫瘍形成の機序を研究するために用いられ得る。インビボの癌進行がホストおよび腫瘍微小環境（間質細胞および細胞外マトリックス（ＥＣＭ）を包含する）によって調節されるということは良く確立されている。例えば、間質細胞は良性の上皮細胞を悪性細胞に転換することができるということが見いだされ、それによってＥＣＭが腫瘍形成に影響するということが見いだされた。定められたアーキテクチャ内で育つ細胞が、単層の細胞よりも細胞毒性因子に対して抵抗性であるという増えつつある証拠がある。そのため、臓器模倣デバイスは癌細胞の本来の成長特徴をシミュレーションするためのより良好な手段であり、それによってインビボの腫瘍の本当の薬物感受性をより良く反映する。
臓器模倣デバイスは種々の組織（心血管系、肺、腸、腎臓、脳、骨髄、骨、歯、および皮膚を包含するが、これに限定されない）を操作することに使用され得る。デバイスが好適な生体適合性および／または生分解性素材（ポリ−ラクチド−ｃｏ−グリコール（glycolide）（ＰＬＧＡ）など）によって作製される場合には、臓器模倣デバイスはインビボの移植またはインプラントのために用いられ得る。その上に、いくつかの細胞型を空間的に局在させその相互作用をコントロールする能力は、より生理的に正しい組織および臓器類似物を階層的に操作し作り出す機会を呈する。定まった配列での複数の細胞型の配列は、細胞分化、維持、および機能寿命に有益な効果を有する。
臓器模倣デバイスは、異なる成長因子、ケミカル、気体、および栄養が、細胞のニーズおよびインビボのそれらの存在に依存して異なる細胞型に添加されることをもまた許し得る。それらの因子または蛋白質の場所をコントロールすることは、特定の細胞リモデリングおよび機能のプロセスを導き得、分子的刺激をシステム全体にもまた提供して、新生組織、細胞リモデリング、増強された分泌、および同様のものなどの有益な発展をもたらし得る。
まだ別の態様において、臓器模倣デバイスは多重細胞型の細胞マイクロアレイ、例えばマイクロ流体デバイスとして利用され得る。臓器模倣デバイスを用いて、細胞アレイのパターンインテグリティが維持され得る。それらの細胞マイクロアレイは、特に多重化および自動化されたときには、将来の「ラボチップ（lab-on-a-chip）」となり得る。それらの小型化された多重細胞型培養は、より速くよりノイジーでないアッセイによる細胞ダイナミクスの観察をたやすくし、作り付けの複雑さを有し、これは細胞がアレイに対するインビボ様の応答を見せることを許すであろう。
まだ別の態様において、臓器模倣デバイスはバイオセンサとして利用され得る。細胞に基づくバイオセンサは、他のバイオセンサよりも多くの情報を提供し得る。なぜなら、細胞は多くの場合に刺激に対する多面的な生理的応答、さらにはそれらの応答を増幅する新規の機序を有するからである。臓器模倣デバイス内の全ての細胞型は、アナライトの異なる側面を同時にモニタリングするために用いられ得る。臓器模倣デバイス内の異なる細胞型は、異なるアナライトを同時にモニタリングするために用いられ得る。または、モニタリングの両方の型の混合物である。Ｅ．ｃｏｌｉから哺乳類株の細胞までの範囲である細胞が、環境モニタリング、毒素検出、および生理モニタリングの用途のためのセンサとして用いられた。
まだ別の態様において、臓器模倣デバイスは、細胞生物学および細胞−ＥＣＭ相互作用における根本的なプロセスを理解することに用いられ得る。インビボのリモデリングプロセスは細胞とＥＣＭとの間の込み入った動的な相互的なプロセスである。臓器模倣デバイスはそれらの生体システムの複雑さを捉えることができ、それらのシステムを、研究および有益な操作が適用可能なものにするであろう。さらにその上に、イメージングツール（例えば蛍光顕微鏡法、顕微蛍光分光、または光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ））につながれて、多層化組織中の細胞挙動のリアルタイム分析がデバイスを用いて期待される。リアルタイム分析が適用可能な細胞および組織研究の例は、細胞の分泌およびシグナル伝達、細胞−細胞相互作用、組織−組織相互作用、動的な人工組織構築およびモニタリング、組織工学における構造−機能研究、ならびにインビトロの細胞リモデリングマトリックスのプロセスを包含する。
このデバイスの使用の別の例は、組織−組織界面および複雑な臓器構造がデバイス内に形成することを誘導することであり、生体の動物の体内にインビボでインプラントすることと、細胞および組織がデバイスに染み込み且つ正常な組織−組織界面を確立することを許すことと、による。それから、細胞生存にとって必要な培地および気体を流体チャネルの１つ以上をとおして灌流しながら、デバイス全体ならびに含有される細胞および組織が外科的に取り出される。それから、この複雑な臓器模倣物は、連続灌流によってインビトロで生育可能に維持され、いずれかの既存のインビトロモデル系を用いては可能でない複雑さのレベルを有するそれらの正常な３Ｄの文脈において、高度に複雑な細胞および組織機能を研究するために用いられ得る。
具体的には、マイクロチャネルデバイスは動物にインビボで皮下にインプラントされ得、デバイスは、周辺組織空間に開放された１つ以上の対応するポートを有するチャネル内に骨誘導物質（脱灰骨粉末または骨形成蛋白質（ＢＭＰ）など）を含有する。第２のチャネルは、その末端ポートを閉じることまたは固体の取外し可能な物質（例えば固体ロッド）を充填することによって、インプラントの間は閉じられるであろう。創傷治癒の結果として、毛細血管および間葉幹細胞を含有する結合組織がデバイスのオープンチャネル内に育ち、骨誘導物質の存在によって、循環造血前駆体細胞をリクルートして完全に機能的な骨髄を形成する腔部を有する骨を形成するであろう。これは過去の研究において示されている通りである。
ひとたびこのプロセスが完了したら、手術部位は再度開かれ、ロッドまたはプラグを取り外すことによって第２のチャネルが再度開かれ、それから流体リザーバにリンクされたカテーテルに接続され、その結果、細胞生存にとって必要な栄養および気体を含有する培養培地が第２のチャネルをとおして圧送され、形成された骨髄を含有する第１のチャネル内へと膜の細孔を通過し得るであろう。それから、マイクロチャネルデバイス全体が周辺組織から切り離され得、培地が連続的にデバイス内に流れるままで、動物から取り外されて、組織培養インキュベータに移され、第２のチャネルをとおした連続的な流体の流れによって培養中に維持されるであろう。望まれる場合には、それらの入口および出口ポートを接続することによって、追加の流れが第１のチャネルにもまた添加され得る。それから、マイクロチャネルデバイスは、コントロールされた環境においてインビトロで健全な骨髄機能を研究するために用いられるであろう。
生体適合性且つ生分解性の素材が、本デバイスのインビボインプラントをたやすくするために本デバイスに用いられ得る。生体適合性で生分解性のコーティングをもまた用い得る。例えば、金属基板上にセラミックコーティングを用い得る。しかし、コーティング素材およびコーティングのいずれかの型は、素材の異なる型（金属、セラミック、ポリマ、ハイドロゲル、またはこれらの素材のいずれかの組み合わせ）から作られ得る。
生体適合性素材は、酸化物、リン酸塩、カーボネート、窒化物、または炭窒化物を包含するが、これに限定されない。酸化物の中では次のものが好ましい。酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化イリジウム、酸化ジルコニウム、または酸化チタン。一部のケースにおいて、コーティングは、経時的に溶解し且つ生体の組織によって置換され得る生分解性素材からもまた作られ得る。基板は金属、セラミック、ポリマ、またはそれらのいずれかの組み合わせなどの素材から作られ得る。金属、例えばステンレス鋼、ニチノール、チタン、チタン合金、またはアルミニウム、およびセラミック、例えばジルコニア、アルミナ、またはリン酸カルシウムは特に興味がある。
生体適合性素材は、経時的に溶解し且つ生体組織によって置換され得るという点で生分解性でもまたあり得る。かかる生分解性素材は、ポリ（乳酸−ｃｏ−グリコール酸）、ポリ乳酸、ポリグリコール酸（ＰＧＡ）、コラーゲンまたは他のＥＣＭ分子、他の結合組織蛋白質、マグネシウム合金、ポリカプロラクトン、ヒアルロン酸（hyaluric acid）、接着蛋白質、生分解性ポリマ、合成、生体適合性、および生分解性素材、例えばバイオポリマ、バイオガラス、バイオセラミック、硫酸カルシウム、リン酸カルシウム、例えばリン酸一カルシウム一水和物、無水リン酸一カルシウム、リン酸二カルシウム二水和物、無水リン酸二カルシウム、リン酸四カルシウム、オルトリン酸カルシウムリン酸塩、ピロリン酸カルシウム、アルファ−リン酸三カルシウム、ベータ−リン酸三カルシウム、アパタイト、例えばハイドロキシアパタイトなど、あるいはポリマ、例えばポリ（アルファ−ヒドロキシエステル）、ポリ（オルトエステル）、ポリ（エーテルエステル）、ポリ酸無水物、ポリ（ホスファゼン）、ポリ（プロピレンフマレート）、ポリ（エステルアミド）、ポリ（エチレンフマレート）、ポリ（アミノ酸）、多糖、ポリペプチド、ポリ（ヒドロキシブチレート）、ポリ（ヒドロキシバレレート）、ポリウレタン、ポリ（リンゴ酸）、ポリラクチド、ポリグリコリド、ポリカプロラクトン、ポリ（グリコリド−ｃｏ−トリメチレンカーボネート）、ポリジオキサノン、もしくはそのコポリマ、ターポリマ、またはこれらのポリマのブレンド、あるいは生体適合性および生分解性素材の組み合わせを包含するが、これに限定されない。生分解性ガラスおよび自己強化生体活性ガラス、ならびに部分的に結晶性の生体吸収性ポリマ（ポリグリコリド、ポリラクチド、および／またはグリコリド／ラクチドコポリマのような）からアセンブリされた超高強度生体吸収性コンポジットをもまた用い得る。
これらの素材は、好ましくは、高い初期強度、適切な弾性率、およびインビボで４週間から１年間までの強度保持時間を、インプラント幾何形状に依存して有する。強化要素、例えば結晶性ポリマのファイバ、ポリマ樹脂中のカーボンファイバ、および微粒子フィラ、例えば、ハイドロキシアパタイトもまた、生分解性デバイスの寸法安定性および機械的特性を提供するために用いられ得る。生分解性素材構築物における相互侵入ネットワーク（ＩＰＮ）の使用は、機械的強度を改善するための手段として実証されている。ＩＰＮ強化生分解性素材の機械的特性をさらに改善するために、本デバイスは、異なる架橋剤を用いて、ポリ（ラクチド−ｃｏ−グリコリド）８５：１５（ＰＬＧＡ）またはポリ（ｌ−ラクチド−ｃｏ−ｄ，ｌ−ラクチド）７０：３０（ＰＬＡ）のホストマトリックス中の架橋ポリプロピレンフマレートの半相互侵入ネットワーク（ＳＩＰＮ）として調製され得る。天然ポリ（ヒドロキシブチレート−ｃｏ−９％ヒドロキシバレレート）コポリエステル膜をもまた、Charles-Hilaire Rivard et al.（Journal of Applied Biomaterials, Volume 6 Issue 1, Pages 65 - 68, 1 Sep 2004）に記載されている通り用い得る。当業者は、デバイスが用いられる用途に従って、いずれかの特定の目的ならびに細胞および組織型にとって好適な他の生分解性素材を選択することもまたできるであろう。
記載されるデバイスは、インビボに置かれたときには治療デバイスとしてもまた用いられ得る。デバイスを例えば動物モデル内に置き、デバイスが生細胞および組織によって定着されることを許し、それから培地を血管チャネルに灌流しながら生細胞とデバイス全体を取り外すことによって、骨髄またはリンパ節などの臓器模倣物をもまた再現し得る。それからデバイスは取り外され、インビトロまたはエクスビボ研究のためにエクスビボで生きたままに保たれ得る。具体的には、膜は、インビトロで膜の少なくとも１つの側において１つ以上の細胞層によってコーティングされ得る。この実施形態においては、細胞は生物の外でプレーティングされる。一実施形態において、膜は、インビボで膜の少なくとも１つの側を１つ以上の細胞層によってコーティングされる。膜の１つの側をインビトロで、別の側をインビボで処理し得る。１つのまたは両方の側を最初に１つの細胞型によってインビトロでコーティングしておき、それからデバイスをインプラントして追加の細胞層をインビボで誘引もまたし得る。
［組織／臓器模倣デバイスの追加の例］
一部の実施形態において、本明細書に記載されるデバイスは、天然の生理的環境をシミュレーションするために、重層、偽重層、もしくは３次元構造の形成に合うための、および／または細胞上の空気および／または液体流によって生ずる低剪断ストレスを許すための十分な頭上空間を提供するためのより高いチャネルを要求する組織または臓器の少なくとも一部分をモデリングするように適応し得る。限定しようとするわけではないが、最適な細胞成長および／または流体の流れのためのかかる追加の空間を必ずしも要求しない組織または臓器の少なくとも一部分をモデリングするためにもまた、本明細書に記載されるデバイスが用いられ得るということを当業者はすぐに認識するであろう。それらの実施形態において、空気／流体の流れは、細胞にさらされる生理的に意味のある剪断レベルを維持するために、細胞上の増大した頭上空間をもたらすように調整され得る。
一部の実施形態において、本明細書に記載されるデバイスは皮膚組織または臓器の少なくとも一部分をモデリングするために用いられ得、これは翻って、本明細書に記載される種々の応用のための皮膚関連の生理的に意味のある条件（例えば、正常および／または病理条件）を研究または模倣するために用いられ得る。より高いメソチャネルは、それらが成熟または分化するときに、細胞および／または構造の複数の層のためのより多くの空間を提供するために用いられ得る。本明細書に記載されるデバイスを用いてモデリングされ得る皮膚関連疾患または障害の例は、老化、アトピー性皮膚炎、接触性皮膚炎（アレルギーまたは刺激物）、湿疹、乾癬、ニキビ、表皮角質肥厚、表皮腫、表皮炎症、皮膚炎症または掻痒、酒さ、ネザートン症候群、ＡおよびＢ型ピーリングスキン症候群、遺伝性魚鱗癬（ichtyosis）、化膿性汗腺炎、紅皮症（全身性剥脱性皮膚炎）、皮膚癌、ならびにそのいずれかの組み合わせを包含するが、これに限定されない。これは、外用される化粧品または消費財の吸収、有効性、および／または毒性を研究するためにもまた用いられ得る。一部の実施形態において、本明細書に記載されるデバイスは老化皮膚をモデリングするために用いられ得る。これは経皮薬物送達を研究するためにもまた用いられ得る。
哺乳類皮膚は一般的に２つの主要な層（保護バリアを提供する表皮と、表皮の下の皮膚の層である真皮）からなる。表皮は重層扁平上皮であり、複数の細胞層、すなわち（最も外側の層から始めて）、角質層、淡明層（主として掌および足裏の）、顆粒層、有棘層、胚芽層（基底層としてもまた公知）を含む。角化細胞は表皮の大部分を構成し、一方、メルケル細胞、メラニン細胞、およびランゲルハンス細胞もまた存在する。
真皮層は主として結合組織および細胞外マトリックス（例えば、コラーゲンフィブリル、ミクロフィブリル、および弾性線維）からなり、それらは引張強度および弾性を皮膚に提供する。真皮層は、タッチおよび熱の感覚を提供する多くの機械受容体（例えば、神経終末）をもまた持っている。毛包、汗腺、脂腺、アポクリン腺、リンパ管、および血管をもまた含有する。真皮中の血管は、それ自身の細胞からの、さらには表皮のために栄養物および／または老廃物の取り除きを提供し得る。
真皮は基底膜をとおして表皮に接続され、構造的に２つのエリア、表皮に隣接する表層エリア（乳頭領域と呼ばれる）および深い、より厚いエリア（網状領域として公知）に分割される。乳頭領域は、疎性結合組織と表皮に向かって伸びる指状の突起（乳頭として公知）とを含有する。乳頭は真皮に「凸凹の」表面を提供し、これは表皮と噛み合わさって、皮膚の２つの層の間の接続を強める。網状領域は乳頭領域深くにあり、通常はずっと厚い。網状領域は密な不規則な結合組織と、その中を縫っているコラーゲン質の弾性の網状線維の濃い濃度とを含有する。これらの蛋白質線維は真皮にその強度、伸び、および弾性の特性を与える。皮膚生理および／または病態生理にとって重大であり得る真皮の別の構成要素は、血管系を包含する。
従って、メソチャネル２５０Ａは、ヒトまたは動物の皮膚を模倣する皮膚均等物の形成を許すように構成された高さ寸法を有し得る。一部の実施形態において、デバイスの膜は表皮層と真皮層とを分離する基底層として用いられ得る。例えば、メソチャネルに面する膜の表面は角化細胞（および任意選択で典型的には表皮に存在する他の細胞、例えばメルケル細胞、メラニン細胞、およびランゲルハンス細胞）によってコーティングされ得る。膜上の角化細胞は空気−液体界面において（「細気道」例に示されているのと類似のセットアップにおいて）培養されて、重層表皮層の形成のための細胞分化を誘導し得る。分化プロセスの間に、角化細胞は高度に組織的になり、互いの間に細胞ジャンクションを形成し（てデスモソームを模倣する）、ならびに／またはケラチン蛋白質および／もしくは脂質を分泌し得、これは細胞外マトリックスの形成に寄与し、機械的強度を提供し得る。一部の実施形態において、角化細胞がインビボの角質層から脱落すると、最も外側の重層の層からの角化細胞は結果的に表皮から脱落し得る。
一部の実施形態において、表皮層および真皮層はそれぞれメソチャネルおよびマイクロチャネル内で形成され得る一方で、一部の実施形態においては、表皮層および真皮層は両方ともメソチャネル内で形成され得る。
マイクロチャネルに面する膜の別の表面は細胞によってコーティングされるか、またはそれなしであり得る。一部の実施形態において、マイクロチャネルに面する膜の表面は、典型的には真皮層（例えば、線維芽細胞）、下皮関連細胞（例えば、線維芽細胞、マクロファージ、および／または脂肪細胞）、本明細書に記載される血管関連細胞、およびそのいずれかの組み合わせの中に存在する細胞型からなる群から選択される細胞によってコーティングされ得る。
マイクロチャネルに面する膜の表面が真皮層をモデリングするために用いられる一部の実施形態において、メソチャネルに面する膜の別の表面は表皮関連細胞によってコーティングされるか、またはそれなしであり得る。それらの実施形態において、デバイスの膜は表皮層としての保護バリアとして用いられ得る。
一部の実施形態においては、典型的には皮膚表面に存在する微生物、例えば表皮ブドウ球菌（Staphylococcus epidermis）がメソチャネル内に形成された表皮層と一緒に培養され得る。
一部の実施形態において、皮膚組織をモデリングするためにデバイスに用いられる膜は多孔質且つフレキシブルであり得る。一部の実施形態において、膜は本明細書に記載されるニューマチックな機序および／または機械的手段によって機械的に調節されて、例えば、インビボでは皮膚細胞によって典型的に経験される機械的な静的歪みを模倣し得る。
一部の実施形態において、本明細書に記載されるデバイスは心臓の少なくとも一部分をモデリングするために用いられ得る。本発明の一部の実施形態によれば、心臓模倣デバイスは、本明細書に記載される種々の応用のために、心臓関連の生理的に意味のある条件（例えば、正常なおよび／または病理条件）を研究または模倣するために用いられ得る。本明細書に記載されるデバイスを用いてモデリングされ得る心臓関連の疾患または障害の例は、冠動脈性心疾患（また、虚血性心疾患または冠動脈疾患）、心筋症、高血圧性心疾患、心不全、肺性心、不整脈、炎症性心疾患（例えば、心内膜炎、炎症性心肥大、および心筋炎）、心臓弁膜症、先天性の心疾患、リウマチ性心疾患、アテローム性動脈硬化、およびそのいずれかの組み合わせを包含するが、これに限定されない。これは、正常な心臓生存性および／または機能に薬物または毒素が及ぼす効果を研究するためにもまた用いられ得る。
例えば、一部の実施形態において、メソチャネルに面する膜の表面は機能的な心臓組織の薄膜によってコーティングされ得、一方、マイクロチャネルに面する別の表面は本明細書に記載される血管関連細胞によってコーティングされるか、またはそれなしであり得る。一部の実施形態において、機能的な心臓組織の薄膜が最初に作製され、それからメソチャネルに面する膜上に置かれ得る。例えば、機能的な心臓組織の薄膜は、細胞接着蛋白質（例えば、細胞外マトリックス蛋白質）によってマイクロパターニングされたエラストマ系ポリマ薄膜上で心筋細胞（例えば、心室心筋細胞）を培養することによって作製されて、空間的に秩序立った２次元筋発生を促進し、それゆえに「筋肉薄膜」（ＭＴＦ）を作り出し得る。例えば、Grosberg A.et al.「Ensembles of engineered cardiac tissues for physiological and pharmacological study: Heart on a chip」Lab on a chip (2011) 11: 4165、さらには国際出願第ＷＯ２００８／０５１２６５およびＷＯ２０１０／０４２８５６号に以前に記載された通りであり、これらの内容は参照によって本明細書に組み込まれる。それらの筋肉薄膜は電気的に機能的且つ活発に収縮性であり得、完全な乳頭筋によって生ずるものに匹敵するストレスを生成する。例えば、筋肉薄膜上の心筋細胞が収縮して、エラストマ系ポリマ薄膜が曲がって３次元（３Ｄ）構造を形成することを引き起こし得る。従って、一部の実施形態においては、メソチャネル２５０Ａは、それらが曲がって３Ｄ構造を形成するときに筋肉薄膜の高さに合う十分な高さ寸法を有し得る。
一部の実施形態においては、収縮性の心筋細胞（例えば、心筋細胞）がメソチャネルに面するフレキシブル且つ多孔質の膜の表面上で育てられ得、一方、マイクロチャネルに面する別の表面は本明細書に記載される血管関連細胞によってコーティングされるか、またはそれなしであり得る。心筋細胞が収縮すると、膜上の細孔開口部は細胞収縮が原因で変形し得る。単に例として、心筋細胞が弛緩状態にあるときには細孔開口部は円形として留まり得るが、円形の細孔開口部は筋細胞収縮が原因で変形し、例えば卵形または楕円になる。例えば、２０１２年１２月１０日出願の国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ１２／６８７６６参照。その内容は参照によって本明細書に組み込まれる。この実施形態において、より高いメソチャネルは、心筋細胞に自然の生理的な微小環境におけるような低剪断ストレスを提供し得る。
一部の実施形態において、筋芽細胞がメソチャネルに面する膜上で（膜の機械的調節ありまたはなしで）育てられて、筋芽細胞の分化を誘導して、筋細胞または心筋細胞を形成し得る。
一部の実施形態において、本明細書に記載されるデバイスは眼の少なくとも一部分をモデリングするために用いられ得、これは翻って本明細書に記載される種々の応用のための眼の条件（例えば、正常および／または病理条件）を研究または模倣するために用いられ得る。より高いメソチャネルは、繊細な眼細胞に自然の生理的な微小環境におけるような低剪断ストレスを提供し得る。本明細書に記載されるデバイスを用いてモデリングされ得る眼の前部および／または後部に関連する眼疾患または障害の例は、加齢黄斑変性、脈絡膜新生血管、糖尿病黄斑浮腫、急性および慢性黄斑神経網膜症、中心性漿液性脈絡網膜症、黄斑浮腫、急性多発性斑状網膜色素上皮症、ベーチェット病、散弾様網脈絡膜症、後部ぶどう膜炎、後部強膜炎、匐行性脈絡膜炎（serpignous choroiditis）、網膜下線維症、ぶどう膜炎症候群、フォークト・小柳・原田病、網膜動脈閉塞症、中心網膜静脈閉塞、播種性血管内凝固症候群、網膜静脈分枝閉塞症、高血圧性眼底変化、眼虚血症候群、網膜微小動脈瘤、コーツ病、傍中心窩毛細血管拡張症（parafoveal telangiectasis）、半側網膜静脈閉塞症、乳頭静脈炎、頸動脈疾患（ＣＡＤ）、樹氷状血管炎（frosted branch angitis）、鎌状赤血球網膜症、網膜色素線条症、家族性滲出性硝子体網膜症、イールズ病、増殖性硝子体網膜症、糖尿病網膜症、腫瘍に関連する網膜疾患、網膜色素上皮（ＲＰＥ）の先天性肥大、後部ぶどう膜黒色腫、脈絡叢血管腫、脈絡膜骨腫、脈絡膜転移、網膜および網膜色素上皮の混合型過誤腫、網膜芽細胞腫、眼底の血管腫、網膜星状膠細胞腫、眼内リンパ腫、近視性網膜変性、急性網膜色素上皮炎、緑内障、眼内炎、サイトメガロウイルス網膜炎、網膜癌、ならびにそのいずれかの組み合わせを包含するが、これに限定されない。これは眼内薬物送達を研究するためにもまた用いられ得る。
一部の実施形態において、本明細書に記載されるデバイスは眼の少なくとも前部部分をモデリングするために用いられ得る。例えば、一部の実施形態において、メソチャネルに面する膜の表面は角膜関連細胞（例えば、角膜上皮細胞、角膜実質細胞、および／または角膜神経細胞だが、これに限定されない）によってコーティングされ得、一方、膜の別の表面は、介在層として包含される角膜線維芽細胞ありまたはなしで角膜内皮細胞によって任意選択でライニングされ得る。眼房水と類似の粘性を有する液体状流体がマイクロチャネルをとおして流れて、メソチャネル内の細胞への栄養を提供し得、一方、細胞は（「細気道」例と類似のセットアップにおいて）空気−液体界面において培養される。このモデルは角膜の免疫応答を研究するために用いられ得る。
一部の実施形態において、本明細書に記載されるデバイスは、眼の少なくとも後部部分、例えば網膜の一部分をモデリングするために用いられ得る。網膜は光感受性の多層構造であり、ニューロンの数層、光受容体層（例えば、桿体および／または錐体細胞を含む）、および網膜色素上皮（例えば、立方細胞を含む）を有する。従って、一部の実施形態において、メソチャネルに面する膜の表面は網膜関連細胞の少なくとも１つ以上の層（例えば、少なくとも２つ以上の層を包含する）によってコーティングされ得る。例えば、１つの実施形態において、メソチャネルに面する膜の表面は網膜上皮細胞の下側層によってコーティングされ得、これに光受容体細胞（例えば、桿体および／または錐体細胞）を含む少なくとも１つの細胞層が重ねられる。マイクロチャネルに面する膜の別の表面は本明細書に記載される血管関連細胞によってコーティングされるか、またはそれなしであり得る。
一部の実施形態においては、眼房水としての粘性を有する液体状流体がメソチャネルをとおして流れ得、一方、液体状流体、例えば細胞培養培地および／または血液がマイクロチャネルをとおして流れ得る。
網膜組織模倣デバイスは網膜関連疾患をモデリングするために用いられ得、例えば、網膜色素変性症、黄斑変性、錐体桿体ジストロフィ（ＣＯＲＤ）、高血圧性網膜症、糖尿病性網膜症、網膜芽細胞腫、網膜異形成、進行性網膜萎縮症、およびそのいずれかの組み合わせを包含するが、これに限定されない。
一部の実施形態において、組織の前部または後部部分をモデリングするためにデバイスに用いられる膜は、多孔質かつリジッドまたはフレキシブルであり得る。
先に記載された腸（例えば、小または大腸）の一部分をモデリングすることに追加して、一部の実施形態において、本明細書に記載されるデバイスは、胃腸管または消化系に関連する臓器（例えば、中咽頭、胃、食道、膵臓、直腸、および肛門を包含するが、これに限定されない）の少なくとも一部分をモデリングするために用いられ得る。一部の実施形態において、本明細書に記載されるデバイスは、膵臓組織の少なくとも一部分をモデリングするために用いられ得、これは翻って本明細書に記載される種々の応用のために、膵臓関連の生理的に意味のある条件（例えば、正常および／または病理条件）を研究または模倣するために用いられ得る。より高いメソチャネルは、任意選択で、正常な血流条件下の多孔質膜の反対の側をライニングする血管内皮細胞と併せて、自然の生理的な環境におけるように、膵臓関連細胞（例えば、内分泌膵島ベータ細胞または外分泌腺房細胞）に低剪断ストレスを提供し得る。本明細書に記載されるデバイスを用いてモデリングされ得る膵臓関連疾患または障害の例は、糖尿病、膵炎、嚢胞性線維症、膵臓癌、およびそのいずれかの組み合わせを包含するが、これに限定されない。
一部の実施形態において、メソチャネルに面する膜の表面は膵臓関連細胞（例えば、ランゲルハンス島または内分泌細胞および／または腺房細胞）によってコーティングされ得、一方、マイクロチャネルに面する膜の別の表面は血管関連細胞によってコーティングされるか、またはそれなしであり得る。
一部の実施形態において、膵臓組織をモデリングするためのデバイスに用いられる膜は、多孔質且つリジッドまたはフレキシブルであり得る。
種々の特定の組織をモデリングするための本明細書に記載されるデバイスの使用は、例示的な例として本明細書において提供されており、決して限定することを意図されてはいない。明細書および本明細書において提供される例から判断して、いずれかの生体の生物（例えば、脊椎動物（例えばヒト対象または動物、例えば魚、鳥、爬虫類、および両生類だが、これに限定されない）、無脊椎動物（例えば原生動物、環形動物、軟体動物、甲殻類、クモ類、棘皮動物、および昆虫だが、これに限定されない）、植物、真菌（例えば、キノコ、カビ、および酵母だが、これに限定されない）、および微生物（例えば細菌およびウイルスだが、これに限定されない））の組織または臓器のいずれかの部分の機能を模倣するように、本明細書に記載されるデバイスが適応し得るということを当業者は認識するであろう。さらに、当業者は、異なる組織模倣デバイスの種々の応用のために、本明細書に記載される使用の方法を適応させ得る。
本発明の一部の実施形態によれば、本明細書に記載されるデバイスは、血管−脳関門の機能を模倣するために用いられ得る。例えば、脳細胞（例えば、ニューロンおよび／またはアストロサイト）が膜の１つの表面上で、血管関連細胞（例えば、内皮細胞、線維芽細胞、平滑筋細胞、周皮細胞、および／またはそのいずれかの組み合わせ）が膜の別の表面上で培養され得る。自然の脳細胞は通常は高剪断ストレスに曝露されているということが普通に信じられている。従って、一部の実施形態において、脳細胞への機械的歪み／ストレスの加えが、その代わりに、高剪断流の代わりに用いられ得る。
本明細書に記載されるデバイスを作る方法
どのようにデバイス２００が形成されるかの詳細が、一実施形態に従ってここで論じられる。本明細書に記載される種々のデバイスの実施形態は、我々がマイクロ流体テクノロジのコントロールを活用し、初代細胞型に関連する臓器レベルの機能（例えば、気道上皮細胞の呼吸／歪み）を再構成することを可能にし、一方では、成長のための低減されたストレス環境および増大した頭上空間を初めて差し出し、これはより大きいメソスケールチャネルにおいてのみ実現可能である。一部の実施形態においては、本明細書に記載されるデバイスを作製するために２つのテクノロジが用いられる。下側マイクロチャネル（これは１つの実施形態においてはおよそ１００μｍの高さである）はいずれかの従来の作製方法を用いて製造され得、例えば、射出成形、エンボス加工、エッチング、鋳造、マシニング、スタンピング、ラミネーション、フォトリソグラフィ、またはそのいずれかの組み合わせを包含する。１つの実施形態において、下側マイクロチャネルは従来のフォトリソグラフィ（１０から数１００ミクロンのオーダの流体フィーチャを作り出すために有用な技術）を含むプロセスによって製造される。図３Ａに見られる通り、フォトリソグラフィの最終結果は、予め決められた高さ（例えば、約２５μｍから約１０００μｍ）に突出したマイクロチャネルのデザインを有するシリコンウェーハである。１つの実施形態において、下側マイクロチャネルはソフトリソグラフィ技術を含むプロセスによって製造される。それらの詳細は「Soft Lithography in Biology and Biochemistry」（Whitesides, et al.による, Annual Review, Biomed Engineering刊, 3.335-3.373 (2001)）、さらには「An Ultra-Thin PDMS Membrane As A Bio/Micro-Nano Interface: Fabrication And Characterization」（Thangawng et al.による, Biomed Microdevices, vol. 9, num. 4, 2007, p. 587-95）に記載されており、これらの両方は参照によってここに組み込まれる。突出したフィーチャのデザインを有するウェーハが作られた後で、硬化性の生体適合性ポリマ（例えばＰＤＭＳ、ポリウレタン、ＳＥＢＳ、ポリプロピレン、およびそのいずれかの組み合わせだが、これに限定されない）がモールドにキャストされ得、これがそれからマイクロチャネルを形成する。一部の実施形態において、下側マイクロチャネルは、本明細書に記載される２つ以上の技術の組み合わせを用いて作製され得る。
上側メソチャネル（これは１つの実施形態においてはおよそ１ｍｍの高さである）はいずれかの従来の作製方法を用いて製造され得、例えば、射出成形、エンボス加工、エッチング、鋳造、マシニング、スタンピング、ラミネーション、フォトリソグラフィ、またはそのいずれかの組み合わせを包含する。一部の実施形態において、上側メソチャネルはフォトリソグラフィを用いて作られることがより望ましくなくあり得る。なぜなら、より大きいサイズの（例えば、ミリメートル範囲の）ＳＵ−８構造は材料欠陥を有し得るからである。一部の実施形態においては、ソリッドフリーフォーム作製テクノロジ、例えばステレオリソグラフィが用いられて、その優れた表面仕上げおよび分解能によってメソチャネルのためのモールドを作り得る。一般的に、ステレオリソグラフィが用いられて、機械に依存して、少なくとも約２０μｍから約５０μｍの最小寸法を有するフィーチャを有するモールドを作り得る。ステレオリソグラフィ手順の例の模式的なダイアグラムが図３Ｂに示されている。このプロセスにおいては、フォトリソグラフィに用いられるシリコンウェーハは固化した樹脂の層によって置換されている。プロセスが続いて行くと、チャネルのフィーチャがレーザによってエッチングされ、それゆえに固化され、結果は、全く熱可塑性樹脂から作られたウェーハ様デバイスである。
本明細書に記載されるデバイスのデザインは３Ｄ−ＣＡＤデザインソフトウェア（例えばＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ）によって描かれ得、これがそれからステレオリソグラフィ機械によって読み取られ、紫外レーザによって熱硬化性樹脂中に描かれる。図および最終的なモールドが図３Ｃに示されている。
操作用チャネル（単数または複数）の高さがメソチャネルの高さよりもかなり小さい（例えば、２以上の係数、例えば２、３、４、５、６、７、８、９、１０、またはより大きい係数による）一部の実施形態において、本発明者は、異なるスケールのフィーチャ（例えば、メソチャネル対操作用チャネル）を有するモールドを製造するためにステレオリソグラフィが用いられ得るということを驚くべきことに発見した。
マイクロ構造を有するシリコンウェーハ（この上にそれからＰＤＭＳがキャストされる）と類似に、ＰＤＭＳが熱可塑性モールド全体にキャストされ、これがそれからメソチャネルを形成する。ＰＤＭＳに追加して、他の素材、例えばポリウレタン（例えば、マイクロ流体デバイスを製造するためのポリウレタン素材の使用についてはＰＣＴ／ＵＳ１２／３６９２０参照）、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレン（ＳＥＢＳ）（例えば、マイクロ流体デバイスを製造するための熱可塑性エラストマの使用についてはＵＳ２０１１／００８５９４９参照）、ポリプロピレン、ケイ素、またはそのいずれかの組み合わせ。特許出願の内容は参照によって本明細書に組み込まれる。
限定しようとするわけではないが、一部の実施形態において、本明細書に記載されるデバイスはモノリシックなデバイスとして、または個々のコンポーネント（例えば、メソチャネルを含むボディの第１の部分、マイクロチャネルを含むボディの第２の部分、および膜）として製造され得、これはそれから一つにアセンブリされて、本明細書に記載されるデバイスを形成し得る。各個々のコンポーネントは、従来の製造方法、例えば射出成形、押出成形、鋳造、ラミネーション、エンボス加工、圧縮成形、溶媒キャスト、積層造形法（例えば３Ｄ印刷）、またはそのいずれかの組み合わせによって製造され得る。
上側の外側ボディ部分２０４は、部分的にはメソチャネル２５０Ａの高さに依存していずれかの寸法の厚みを有し得る。一部の実施形態において、上側の外側ボディ部分２０４の厚みは約１ｍｍから約１００ｍｍ、または約２ｍｍから約７５ｍｍ、または約３ｍｍから約５０ｍｍ、または約３ｍｍから約２５ｍｍであり得る。１つの実施形態において、上側の外側ボディ部分２０４の厚みは約４．８ｍｍであり得る。
下側の外側ボディ部分２０６は、部分的にはマイクロチャネル２５０Ｂの高さに依存していずれかの寸法の厚みを有し得る。一部の実施形態において、下側の外側ボディ部分２０６の厚みは約５０μｍから約１０ｍｍ、または約７５μｍから約８ｍｍ、または約１００μｍから約５ｍｍ、または約２００μｍから約２．５ｍｍであり得る。１つの実施形態において、下側の外側ボディ部分２０６の厚みは約１ｍｍから約１．５ｍｍであり得る。１つの実施形態において、下側の外側ボディ部分２０６の厚みは約０．２ｍｍから約０．５ｍｍであり得る。
ひとたび上側および下側の外側ボディ部分２０４、２０６が形成され、それらのそれぞれのモールドから取り外されたら、チャネルにアクセスするためにアクセスポートが作られ得る。１つの実施形態において、ポートは０．５ｍｍ生検トレパンを９０°で用いて作り出される（図２Ｃ上パネル）。流れのこの鋭い方向転換は、細胞に対する望ましくない効果、局所的な圧力変動、および細胞凝集を引き起こす力を作り出し得る。代替的なデザインは、トレパンがより低い角度で用いられることである（図２Ｃ下側パネル）。これは、純粋に垂直のトレパンに関連する問題を軽減し得る。この実施形態において、アクセスポート（例えば、入口および出口のため）は本明細書に記載されるデバイスの横側に位置しており、その結果、入口チャネルおよび出口チャネルが９０度よりも小さい角度（例えば、約１５度から約４５度の範囲である）で曲げられ得る。１つの実施形態において、入口チャネルおよび出口チャネルは約２５度の角度で曲げられ得る。
膜２０８は種々の目的のために操作され得、いくつかは上で論じられている。例えば、膜２０８上の細孔はＥＣＭ分子またはゲル、例えばマトリゲル、ラミニン、コラーゲン、フィブロネクチン、フィブリン、エラスチンなどによってコーティングまたは充填され得、これらは当業者に公知である。組織−組織界面は、図２Ｄに示されている通り、膜２０８の各側で細胞の異なる型を培養することによってコーティングされ得る。具体的には、図２Ｄに示されている通り、細胞の１つの型が膜２０８の１つの側においてコーティングされ、一方で、細胞の別の型が膜２０８の反対の側においてコーティングされる。
先に記載された通り、膜２０８はリジッドまたはフレキシブルであり得る。一部の実施形態において、膜２０８はリジッド、例えばポリカーボネートまたはポリエステル膜であり得る。一部の実施形態において、膜２０８はフレキシブル、例えばＰＤＭＳ膜であり得る。
一般的に、膜２０８はメソチャネル２５０Ａを含む上側の外側ボディ部分２０４とマイクロチャネル２５０Ｂを含む下側の外側ボディ部分２０６との間にサンドイッチされ、それによって、チャネル壁２３４、２４４、さらには外壁２３８、２４８が適切な製造装置および技術を用いて整列させられる。その後、流体シールを膜と上側ボディ部分２０４および下側ボディ部分２０６との間に形成するために、適切な接着剤もしくはエポキシ、物理的クランプ、および／または２つのＰＤＭＳ表面間のプラズマ接合を用いて、膜２０８はチャネル壁２３４、２４４および任意選択の外壁２３８、２４８に固定される。
例えば、流体シールが、膜と上側ボディ部分および下側ボディ部分との間の化学結合によって形成され得る。１つの実施形態において、化学結合は接着性の化学的コーティング（例えば３−アミノプロピル−トリエトキシシラン（ＡＰＴＥＳ））によって作り出され得、これは、ポリカーボネートまたはポリエステル膜と上側ボディ部分および下側ボディ部分との間に不可逆的な結合を作り出し得る。例えば、Aran et al.「Irreversible, direct bonding of nanoporous polymer membranes to PDMS or glass microdevices」 Lab Chip. 2010 Mar 7;10(5):548-52を、ポリマ膜（例えば、ポリエーテルスルホンおよびポリエチレンテレフタレート）をＰＤＭＳおよびガラスマイクロ流体チャネルと一体化するための化学架橋剤としての３−アミノプロピルトリエトキシシランの使用について参照。ＡＰＴＥＳ手順は図４Ａに記載されている。
一部の実施形態においては、全ての膜−ＰＤＭＳ表面積を利用して上側および下側ボディ部分２０４、２０６（例えば、ＰＤＭＳ部分）の間に膜をクランプすることによって、流体シールが形成され得る。上側および下側ボディ部分２０４、２０６間に膜をクランプすることは、２つのプレート（例えばアクリル板）間にデバイスを置くことによって達成され得る。それから、プレート（例えば、アクリル板）は図４Ｂに見られる通りねじまたはクリップどちらかによってクランプされ得る。この方法は、膜上の細胞に対する最小限の損傷によって実験後の膜にユーザーがアクセスすることを許し得、より高品質の画像を生む。
上側および下側ボディ部分がＰＤＭＳから作られる一部の実施形態において、膜をＰＤＭＳ表面積よりも小さく切り、膜の周りにＰＤＭＳを一緒にプラズマ接合することによって、流体シールが形成され得る。例えば図４Ｃに示されている通りである。この方法は、膜上の細胞に対する最小限の損傷によって実験後の膜にユーザーがアクセスすることを許し得、より高品質の画像を生む。
図２０は、一実施形態に従う複数のデバイスを有するシステムの模式図を例示している。具体的には、図２０に示されている通り、システム７００は、１つ以上の流体供給源７０４および外力供給源（例えば、圧力供給源）（示されていない）につながれた１つ以上のＣＰＵ７０２を包含し、それによって前述は３つのデバイス７０６Ａ、７０６Ｂ、および７０６Ｃにつながれる。３つのデバイス７０６がこの実施形態において示されているが、３つよりも少しまたは多くのデバイス７０６が用いられ得るということが注意されるべきである。システム７００において、３つのデバイスのうち２つ（すなわち７０６Ａおよび７０６Ｂ）は流体供給源７０４に関して並行に接続され、デバイス７０６Ａおよび７０６Ｃは流体供給源７０４に関して直列の様式で接続される。示されている構成は単に１つの例であり、接続パターンのいずれかの他の型が用途に依存して利用され得るということが注意されるべきである。一部の実施形態において、システムは「Integrated human organ-on-chip microphysiological systems」と題する国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ１２／６８７２５号に記載されているものであり得、１つ以上の本明細書に記載されるデバイスが流体接続されてシステムを形成し得る。例えば、図１９に示されている通り、約８〜１６個の本明細書に記載されるデバイスが流体接続されて、インキュベータ内に維持された１つ以上のシステムを形成し得る。
示されている例において、流体供給源７０４からの流体はデバイス７０６Ａおよび７０６Ｂの流体入口に直接的に提供される。流体がデバイス７０６Ａを通過すると、それはデバイス７０６Ｂおよび７０６Ｃの流体入口ポート内に直接的にアウトプットされる。追加して、デバイス７０６Ｂからの流体出口は、デバイス７０６Ａからデバイス７０６Ｃ内へのアウトプットと組み合わされる。複数のデバイスが作動することによって、流体が別のコントロールされた環境を通過させられた後にどのように流体または膜中の細胞が挙動するかを、センサデータを用いてモニタリングすることが可能である。それゆえに、このシステムは複数の独立した「ステージ」がセットアップされることを許し、各ステージにおける細胞挙動はシミュレーションされた生理的条件下でモニタリングされ、デバイス７０６を用いてコントロールされ得る。１つ以上のデバイスが直列に接続され、細胞間のケミカルコミュニケーションを研究することへの使用を提供し得る。例えば、１つの細胞型が特定の流体に曝露されることに応答して蛋白質Ａを分泌し得、それによって、分泌された蛋白質Ａを含有する流体が１つのデバイスを出て、それから、別のデバイス内に特にパターニングされた別の細胞型に曝露され、それによって、別のデバイス内の別の細胞との蛋白質Ａを有する流体の相互作用がモニタリングされ得る（例えば傍分泌シグナル伝達）。並行な構成においては、個々のデバイスによって別個に細胞挙動を分析する代わりに、一度に複数のデバイスによって細胞挙動を分析する効率を増大させるという点で、並行に接続された１つ以上のデバイスは有利であり得る。
［サイトカインの追加の例］
本明細書において用いられる、用語「サイトカイン」は、細胞プロセス（例えば、増殖、分化、炎症、アポトーシス、細胞の代謝、細胞骨格制御、細胞接着、細胞遊走、血管新生、ＤＮＡ修復、蛋白質合成、およびそのいずれかの組み合わせを包含するが、これに限定されない）を刺激、阻害、および／または媒介し得る因子を言う。「サイトカイン」は低分子、生体分子（例えば、蛋白質、ペプチド、核酸、脂質、炭水化物、糖蛋白質、糖脂質、プロテオグリカン、リポ蛋白質だが、これに限定されない）、抗体、オリゴヌクレオチド、金属、ビタミン、またはそのいずれかの組み合わせであるか、またはそれを包含し得る。例えば、サイトカインは成長促進因子、細胞分化因子、抗炎症因子、炎症促進性因子、アポトーシス誘導因子、抗アポトーシス因子、血管新生促進因子、抗血管新生因子、またはそのいずれかの組み合わせを包含し得るが、これに限定されない。
一部の実施形態において、サイトカインは炎症促進性因子を包含し得る。本明細書において用いられる、用語「炎症促進性因子」は、細胞の炎症性応答を直接的もしくは間接的に誘導もしくは媒介し得るか、または炎症のメディエータの産生に直接的もしくは間接的に関与する因子を言う。種々の炎症促進性因子は当業者に公知である。例示的には、炎症促進性因子は、限定なしに、エイコサノイド、例えばプロスタグランジン（例えば、ＰＧＥ２）およびロイコトリエン（例えば、ＬＴＢ４）など、気体（例えば、一酸化窒素（ＮＯ））、酵素（例えば、ホスホリパーゼ、誘導型一酸化窒素合成酵素（ｉＮＯＳ）、ＣＯＸ−１、およびＣＯＸ−２）、およびサイトカイン、例えばインターロイキン（例えば、ＩＬ−ｌα、ＩＬ−ｌβ、ＩＬ−２、ＩＬ−３、ＩＬ−４、ＩＬ−５、ＩＬ−６、ＩＬ−８、ＩＬ−１０、ＩＬ−１２、およびＩＬ−１８）、腫瘍壊死因子ファミリのメンバ（例えば、ＴＮＦ−α、ＴＮＦ−β、およびリンフォトキシンβ）、インターフェロン（例えば、ＩＦＮ−βおよびＩＦＮ−γ）、顆粒球／マクロファージコロニ刺激因子（ＧＭ−ＣＳＦ）、トランスフォーミング成長因子（例えば、ＴＧＦ−βｌ、ＴＧＦ−β２、およびＴＧＦ−β３、白血病阻害因子（ＬＴＦ）、繊毛神経栄養因子（ＣＮＴＦ）、遊走阻害因子（ＭＴＦ）、単球化学誘引物質蛋白質（ＭＣＰ−Ｉ）、マクロファージ炎症性蛋白質（例えば、ＭＩＰ−１α、ＭＩＰ−１β、およびＭＩＰ−２）、およびＲＡＮＴＥＳなど、さらには環境または物理的因子、例えばシリカマイクロおよびナノ粒子ならびに病原体を包含する。一部の実施形態において、これらの炎症促進性因子の少なくとも１つ以上が細胞培養培地に添加されて、例えば組織特異的な細胞および／または免疫細胞をデバイス内において刺激またはチャレンジして、インビボの炎症性応答または炎症関連疾患、障害、もしくは傷害をシミュレーションし得る。
一部の実施形態において、サイトカインは抗炎症因子を包含し得る。本明細書において用いられる、用語「抗炎症因子」は、炎症促進性および／または炎症性因子ならびに炎症性条件または反応を媒介する他の因子の効果に逆らうことができる因子を言う。抗炎症因子の例は、（例えば、可溶性受容体、受容体アンタゴニスト、アプタマ、抗体、またはそのいずれかの組み合わせの形態で）上に記載されたいずれかの炎症促進性因子および／または（例えば、可溶性蛋白質、アンチセンスオリゴヌクレオチド、ｓｉＲＮＡ、ｓｈＲＮＡ、ベクタ、またはそのいずれかの組み合わせの形態で）細胞内の炎症経路を媒介し得る因子の阻害剤を包含し得るが、これに限定されない。例えば、抗炎症因子は、炎症を誘導する特定の蛋白質機能を阻害および／もしくは特定の遺伝子をサイレンシングし得る因子、または炎症を阻害する特定の蛋白質機能を促進および／もしくは特定の遺伝子を発現し得る因子を包含し得る。一部の実施形態において、抗炎症因子は、ステロイド、非ステロイド系抗炎症薬、鎮痛剤、少なくとも１つ以上のケモカイン（例えばＣＸＣＬ−８、ＣＣＬ２、ＣＣＬ３、ＣＣＬ４、ＣＣＬ５、ＣＣＬ１１、およびＣＸＣＬ１０だが、これに限定されない）の阻害剤、および／もしくはＣＯＸ−２阻害剤であるか、またはそれを包含し得る。種々の抗炎症因子が当業者に公知であり（例えば国際特許出願第ＷＯ２００４／０８２５８８号に記載されている通りであり、その内容は参照によって本明細書に組み込まれる）、細胞培養培地に添加され、ならびに／またはデバイス内の組織特異的な細胞および／もしくは免疫細胞を刺激もしくはチャレンジするために用いられて、抗炎症応答を誘起し得る。
一部の実施形態において、サイトカインは成長促進因子を包含し得る。本明細書において用いられる、用語「成長促進因子」は、細胞増殖を刺激する因子を言う。成長促進因子の例は、いずれかの当分野において認められた成長因子、例えば骨形成蛋白質（ＢＭＰ）、脳由来神経栄養因子（ＢＤＮＦ）、上皮成長因子（ＥＧＦ）、エリスロポエチン（ＥＰＯ）、線維芽細胞増殖因子（ＦＧＦ）、グリア細胞株由来神経栄養因子（ＧＤＮＦ）、顆粒球コロニ刺激因子（Ｇ−ＣＳＦ）、顆粒球マクロファージコロニ刺激因子（ＧＭ−ＣＳＦ）、肝細胞増殖因子（ＨＧＦ）、肝癌由来増殖因子（ＨＤＧＦ）、インスリン様成長因子（ＩＧＦ）、ミオスタチン（ＧＤＦ−８）、神経成長因子（ＮＧＦ）および他のニューロトロフィン、血小板由来成長因子（ＰＤＧＦ）、トロンボポエチン（ＴＰＯ）、トランスフォーミング成長因子アルファ（ＴＧＦ−α）、トランスフォーミング成長因子ベータ（ＴＧＦ−β）、血管内皮成長因子（ＶＥＧＦ）、胎盤成長因子（ＰｌＧＦ）、ホルモン、ステロイドホルモン、ならびにそのいずれかの組み合わせを包含し得るが、これに限定されない。
一部の実施形態において、サイトカインは先に記載された分化因子を包含し得る。適切な分化因子（単数または複数）は、異なる細胞型（例えば、幹細胞および未分化のまたは部分的に分化した細胞を包含する）に基づいて選択され得る。
一部の実施形態において、サイトカインはアポトーシス調節因子を包含し得る。本明細書において用いられる、用語「アポトーシス調節因子」は、アポトーシスを調節すること（例えば、阻害すること、減少させること、増大させること、促進すること）に関与する因子を言う。アポトーシスは一般的にはプログラム細胞死のプロセスとして公知である。アポトーシス調節因子の例は、Ｆａｓ／ＣＤ９５、ＴＲＡＭＰ、ＴＮＦＲＩ、ＤＲ１、ＤＲ２、ＤＲ３、ＤＲ４、ＤＲ５、ＤＲ６、ＦＡＤＤ、ＲＩＰ、ＴＮＦα、Ｆａｓリガンド、Ｆａｓ／ＣＤ９５および他のＴＮＦファミリ受容体に対する抗体、ＴＲＡＩＬ、ＴＲＡＩＬ−ＲｌまたはＴＲＡＩＬ−Ｒ２に対する抗体、Ｂｃｌ−２、ｐ５３、ＢＡＸ、ＢＩＤ、ＢＡＤ、ＢＡＫ、Ａｋｔ、ＣＡＤ、ＰＩ３キナーゼ、ＰＰ１、およびカスパーゼ蛋白質を包含するが、これに限定されない。調節因子は、ＴＮＦファミリ受容体のアゴニストおよびアンタゴニストならびにＴＮＦファミリリガンドを幅広く包含する。アポトーシス調節因子は可溶性または膜結合（例えばリガンドまたは受容体）であり得る。
一部の実施形態において、サイトカインは血管新生促進因子を包含し得る。本明細書において用いられる、用語「血管新生促進因子」は、直接的または間接的に血管新生を刺激、増強、および／または安定化する因子を意味することを意図される。例示的な血管新生促進因子は、ＶＥＧＦ、ＦＧＦ、Ａｎｇ１、Ａｎｇ２、ＰＤＧＦ−ＢＢ、およびそのいずれかの組み合わせを包含するが、これに限定されない。
一部の実施形態において、サイトカインは抗血管新生因子を包含し得る。本明細書において用いられる、用語「抗血管新生因子」は、直接的にまたは間接的に新たな血管の形成を低減もしくは阻害し、および／または形成された血管を不安定化する因子を言う。抗血管新生因子の例は、上に記載された血管新生促進因子の阻害剤および／またはアンタゴニスト、可溶性ＶＥＧＦ受容体、アンジオポエチン２、ＴＳＰ−１、ＴＳＰ−２、アンギオスタチン、エンドスタチン、バソスタチン、血小板因子−４、およびそのいずれかの組み合わせを包含するが、これに限定されない。
本明細書に記載される種々の態様の実施形態は、次の付番されたパラグラフのいずれかによって定められ得る。
１． デバイスであって、
ａ．その中に主チャネルを含むボディ、および
ｂ．主チャネル内において平面に沿って位置する膜、
を含み、
膜は、主チャネルを区分して少なくとも１つのマイクロチャネルおよび少なくとも１つのメソチャネルを形成するように構成され、
メソチャネルの高さはマイクロチャネルの高さよりも実質的に大きい。
２． パラグラフ１のデバイスであって、メソチャネル対マイクロチャネルの高さ比が約２．５：１から約５０：１の範囲である。
３． パラグラフ１または２のデバイスであって、メソチャネル対マイクロチャネルの高さ比が約５：１から約２５：１の範囲である。
４． パラグラフ１〜３のいずれかのデバイスであって、膜がリジッドである。
５． パラグラフ１〜３のいずれかのデバイスであって、膜が少なくとも部分的にフレキシブルである。
６． パラグラフ１〜５のいずれかのデバイスであって、膜が約１μｍから約１００μｍの厚みを有する。
７． パラグラフ１〜５のいずれかのデバイスであって、膜が約１００ｎｍから約５０μｍの厚みを有する。
８． パラグラフ１〜７のいずれかのデバイスであって、膜が非多孔質である。
９． パラグラフ１〜８のいずれかのデバイスであって、膜が少なくとも部分的に多孔質である。
１０． パラグラフ９のデバイスであって、膜の細孔が約０．１μｍから約１５μｍの直径を有する。
１１． パラグラフ９または１０のデバイスであって、中心から中心までの細孔間隔が約１μｍから約１００μｍの範囲である。
１２． パラグラフ１〜１１のいずれかのデバイスであって、メソチャネルの１つの末端が、気体流調節デバイスと係合するように適応している。
１３． パラグラフ１２のデバイスであって、気体流調節デバイスが、気体の片方向または両方向の流れを提供するように適応している。
１４． パラグラフ１２または１３のデバイスであって、気体流調節デバイスが、フレキシブルな振動板によって囲い込まれた少なくとも１つの末端を有する気体受容チャンバを含む。
１５． パラグラフ１４のデバイスであって、フレキシブルな振動板が動くと気体受容チャンバが膨張または収縮する。
１６． パラグラフ１〜１５のいずれかのデバイスであって、メソチャネルの別の末端が、気体流ジェネレータと係合するように適応している。
１７． パラグラフ１〜１６のいずれかのデバイスであって、ボディが、主チャネル内の膜の機械的調節を提供するようにさらに適応している。
１８． パラグラフ１７のデバイスであって、
ボディが、第１のチャネル壁によってマイクロチャネルおよびメソチャネルから分離された第１の操作用チャネルをさらに含み、
膜の第１の縁が第１のチャネル壁に固定され、膜の第２の縁が主チャネルの反対の壁に固定され、
第１の操作用チャネルが膜の周りに位置し、その結果、第１の操作用チャネルと主チャネルとの間に加えられる圧力差が、主チャネル内において平面に沿って第１の望まれる方向に膜が引き伸ばされるかまたは引き戻されることを引き起こす。
１９． パラグラフ１８のデバイスであって、
ボディが、第２のチャネル壁によってマイクロチャネルおよびメソチャネルから分離された第２の操作用チャネルをさらに含み、
膜の第２の縁が第２のチャネル壁に固定され、
第２の操作用チャネルが膜の周りに位置し、その結果、第２の操作用チャネルと主チャネルとの間に加えられる圧力差が、主チャネル内において平面に沿って第２の望まれる方向に膜が引き伸ばされるかまたは引き戻されることを引き起こす。
２０． パラグラフ１８または１９のデバイスであって、第１の操作用チャネルの第１の高さおよび第２の操作用チャネルの第２の高さが主チャネルの高さよりも小さい。
２１． パラグラフ１８〜２０のいずれかのデバイスであって、第１の操作用チャネルおよび第２の操作用チャネルの少なくとも１つまたは両方が、膜のまわりに対称的に配列される。
２２． パラグラフ１〜２１のいずれかのデバイスであって、マイクロチャネルの高さが約２０μｍから約１ｍｍの範囲である。
２３． パラグラフ１〜２１のいずれかのデバイスであって、マイクロチャネルの高さが約５０μｍから約２００μｍの範囲である。
２４． パラグラフ１〜２３のいずれかのデバイスであって、メソチャネルの寸法が、細胞成長および／または細胞分化にとって適切な流体剪断ストレスを提供するように構成される。
２５． パラグラフ１〜２４のいずれかのデバイスであって、メソチャネルの高さが重層または３次元組織の形成にとって十分である。
２６． パラグラフ１〜２５のいずれかのデバイスであって、メソチャネルの高さ対主チャネルの幅のアスペクト比が約１：５から約２５：１の範囲である。
２７． パラグラフ１〜２６のいずれかのデバイスであって、メソチャネルの高さが約１００μｍから約５０ｍｍの範囲である。
２８． パラグラフ１〜２７のいずれかのデバイスであって、主チャネルの幅が約２００μｍから約１０ｍｍの範囲である。
２９． パラグラフ１〜２８のいずれかのデバイスであって、膜の少なくとも１つの表面がそれに接着した細胞を含む。
３０． パラグラフ２９のデバイスであって、細胞が１つ以上の細胞層を形成する。
３１． パラグラフ２９または３０のデバイスであって、細胞が、哺乳類細胞、植物細胞、昆虫細胞、およびそのいずれかの組み合わせからなる群から選択される。
３２． パラグラフ３１のデバイスであって、哺乳類細胞がヒト細胞を含む。
３３． パラグラフ３１のデバイスであって、哺乳類細胞が動物細胞を含む。
３４． パラグラフ２９〜３３のいずれかのデバイスであって、細胞が、予め決められた生理的エンドポイントに対応する少なくとも１つの特徴を見せる。
３５． パラグラフ３４のデバイスであって、予め決められた生理的エンドポイントが、成熟状態、分化状態、前駆体状態、重層状態、偽重層状態、コンフルエント状態、炎症状態、感染状態、刺激状態、活性化状態、阻害状態、正常な健常状態、疾患特異的な状態、成長状態、遊走性状態、変態状態、またはそのいずれかの組み合わせからなる群から選択される。
３６． パラグラフ３５のデバイスであって、疾患特異的な状態が疾患、障害、または傷害の特定のステージである。
３７． パラグラフ３５または３６のデバイスであって、疾患特異的な状態が癌状態を含む。
３８． パラグラフ３５〜３７のいずれかのデバイスであって、疾患特異的な状態が、炎症性腸疾患、クローン病、潰瘍性大腸炎、セリアック病、血管形成異常、虫垂炎、腸捻転、慢性機能性腹痛、セリアック病、大腸癌、憩室症、子宮内膜症、エンテロウイルス、胃腸炎、ヒルシュスプルング病、回腸炎、過敏性腸症候群、ポリープ、偽膜性大腸炎、またはそのいずれかの組み合わせからなる群から選択される腸疾患に関連する。
３９． パラグラフ３５〜３７のいずれかのデバイスであって、疾患特異的な状態が、喘息、慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ）、肺高血圧、放射線傷害、嚢胞性線維症、またはそのいずれかの組み合わせからなる群から選択される肺疾患に関連する。
４０． パラグラフ３５〜３７のいずれかのデバイスであって、疾患特異的な状態が空気媒介性疾患に関連する。
４１． パラグラフ４０のデバイスであって、空気媒介性疾患が細菌感染またはウイルス感染である。
４２． パラグラフ２９〜４１のいずれかのデバイスであって、細胞の少なくとも一部分が、上皮細胞、内皮細胞、線維芽細胞、平滑筋細胞、基底細胞、繊毛細胞、粘液分泌細胞、円柱細胞、杯細胞、筋細胞、免疫細胞、神経細胞、造血細胞、肺細胞（例えば、肺胞上皮細胞、気道細胞、気管支細胞、気管細胞、および鼻腔上皮細胞）、消化管細胞、腸細胞、脳細胞、幹細胞、皮膚細胞、肝臓細胞、心臓細胞、脾臓細胞、腎臓細胞、膵臓細胞、生殖細胞、血球（例えば、白血球、赤血球、血小板、ならびに造血幹細胞および前駆細胞を包含する）、およびそのいずれかの組み合わせからなる群から選択される。
４３． パラグラフ２９〜４２のいずれかのデバイスであって、細胞が、組織の少なくとも一部分の細胞挙動を模倣するインビトロモデルを作り出すように選択される。
４４． パラグラフ４３のデバイスであって、組織が、気道、気管支、消化管、皮膚、脈絡叢、肝臓、心臓、および胃腸管からなる群から選択される。
４５． パラグラフ２９〜４４のいずれかのデバイスであって、メソチャネルに面する膜の第１の表面が、低剪断および／または重層組織を形成するための空間を要求する組織特異的な細胞を含む。
４６． パラグラフ４５のデバイスであって、組織特異的な細胞が上皮細胞、基底細胞、繊毛細胞、円柱細胞、杯細胞、線維芽細胞、平滑筋細胞、またはそのいずれかの組み合わせを含む。
４７． パラグラフ４５または４６のデバイスであって、気道の少なくとも一部分の細胞挙動を模倣するインビトロモデルを作り出すように選択される組織特異的な細胞が、気道上皮細胞、気管支上皮細胞、鼻腔上皮細胞、またはそのいずれかの組み合わせを含む。
４８． パラグラフ２９〜４７のいずれかのデバイスであって、マイクロチャネルに面する膜の第２の表面が血管関連細胞を含む。
４９． パラグラフ４８のデバイスであって、血管関連細胞が内皮細胞、線維芽細胞、平滑筋細胞、周皮細胞、またはそのいずれかの組み合わせを含む。
５０． パラグラフ１〜４９のいずれかのデバイスであって、膜が少なくとも１つの細胞接着因子によってコーティングされる。
５１． パラグラフ５０のデバイスであって、前記少なくとも１つの細胞接着因子が細胞外マトリックス分子を含む。
５２． パラグラフ５１のデバイスであって、細胞外マトリックス分子が、糖蛋白質、コラーゲン、フィブロネクチン、ラミニン、ビトロネクチン、エラスチン、フィブリン、プロテオグリカン、ヘパリン硫酸、コンドロイチン硫酸、硫酸ケラタン、ヒアルロン酸、フィブロイン、キトサン、またはそのいずれかの組み合わせを含む。
５３． パラグラフ１〜５２のいずれかのデバイスであって、デバイスのボディおよび／または膜が生体適合性ポリマを含む。
５４． パラグラフ５３のデバイスであって、生体適合性ポリマが、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリウレタン、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレン（ＳＥＢＳ）、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリプロピレン、ケイ素、またはそのいずれかの組み合わせを含む。
５５． パラグラフ１〜５４のいずれかのデバイスであって、デバイスのボディおよび／または膜が細胞外マトリックスポリマ、ゲル、または足場を含む。
５６． パラグラフ１〜５５のいずれかのデバイスであって、主チャネルが直線である。
５７． パラグラフ１〜５５のいずれかのデバイスであって、主チャネルが非直線部分を含む。
５８． パラグラフ１〜５７のいずれかのデバイスであって、第１のおよび／または第２の操作用チャネルの高さが主チャネルの高さよりも大きい。
５９． パラグラフ１〜５７のいずれかのデバイスであって、第１のおよび／または第２の操作用チャネルの高さが主チャネルの高さと実質的に同じかまたはそれよりも小さい。
６０． 方法であって、
少なくとも１つのデバイスを提供し、これが、
ａ．その中に主チャネルを含むボディ、および、
ｂ．主チャネル内において平面に沿って位置する少なくとも部分的に多孔質の膜、を含み、膜が、主チャネルを区分して第１のサブチャネルおよび第２のサブチャネルを形成するように構成され、少なくとも第１のサブチャネルは、重層構造を形成するために十分な高さを有することと、
第１のサブチャネルに面する膜の第１の表面上に組織特異的な細胞を播種することと、
気液界面において第１の表面上で組織特異的な細胞を培養することと、
を含む。
６１． パラグラフ６０の方法であって、気液界面における前記培養に先立って、組織特異的な細胞が第１の細胞単層を形成する。
６２． パラグラフ６１の方法であって、第１の細胞単層が、第１のサブチャネル内の第１の液体状流体中において液面下の組織特異的な細胞を培養することによって形成される。
６３． パラグラフ６０〜６２のいずれかの方法であって、 気体状流体を第１のサブチャネル内に、第２の液体状流体を第２のサブチャネル内に有することによって、気液界面が形成される。
６４． パラグラフ６３の方法であって、第２の液体状流体が少なくとも１つの分化誘導因子を含む。
６５． パラグラフ６０〜６４のいずれかの方法であって、組織特異的な細胞の少なくとも一部分が、或る期間の気液界面における前記培養によって予め決められた生理的エンドポイントに達する。
６６． パラグラフ６０〜６５のいずれかの方法であって、第１のサブチャネルをとおして気体状流体を流すことをさらに含む。
６７． パラグラフ６０〜６６のいずれかの方法であって、第２のサブチャネルをとおして液体状流体を流すことをさらに含む。
６８． 方法であって、
少なくとも１つのデバイスを提供し、これが、
ａ．その中に主チャネルを含むボディ、および、
ｂ．主チャネル内において平面に沿って位置する少なくとも部分的に多孔質の膜（膜は、主チャネルを区分して第１のサブチャネルおよび第２のサブチャネルを形成するように構成され、少なくとも第１のサブチャネルは、重層構造を形成するために十分な高さを有する）、および、
ｃ．第１のサブチャネルに面する膜の第１の表面上の組織特異的な細胞（細胞は、予め決められた生理的エンドポイントに対応する少なくとも１つの特徴を見せる）、
を含むことと、
第１のサブチャネルをとおして気体状流体を流すことと、
第２のサブチャネルをとおして液体状流体を流すことと、
を含む。
６９． パラグラフ６６〜６８のいずれかの方法であって、気体状流体が定常流れに維持される。
７０． パラグラフ６６〜６８のいずれかの方法であって、気体状流体が第１のサブチャネルをとおして連続的に流される。
７１． パラグラフ６６〜６８のいずれかの方法であって、気体状流体が第１のサブチャネルをとおして間歇的にまたは周期的に流される。
７２． パラグラフ６０〜７１のいずれかの方法であって、第１のサブチャネルの高さが、細胞成長および／または細胞分化にとって適切な空気剪断ストレスを提供するように構成される。
７３． パラグラフ７２の方法であって、空気剪断ストレスが約０．０１ダイン／ｃｍ２から約２０００ダイン／ｃｍ２の範囲である。
７４． パラグラフ６０〜７３のいずれかの方法であって、第１のサブチャネルの高さが少なくとも約１００μｍまたは約５００μｍである。
７５． パラグラフ６０〜７４のいずれかの方法であって、第２のサブチャネルが第１のサブチャネルの高さよりも実質的に小さい高さを有する。
７６． パラグラフ７５の方法であって、第２のサブチャネルが約２０μｍから約１ｍｍまたは約５０μｍから約２００μｍの高さを有する。
７７． パラグラフ６０〜７６のいずれかの方法であって、第２のサブチャネルの高さが第１のサブチャネルの高さと実質的に同じである。
７８． パラグラフ６０〜７７のいずれかの方法であって、予め決められた生理的エンドポイントが、成熟状態、分化状態、前駆体状態、重層状態、偽重層状態、コンフルエント状態、炎症状態、感染状態、刺激状態、活性化状態、阻害状態、正常な健常状態、疾患特異的な状態、成長状態、遊走性状態、変態状態、またはそのいずれかの組み合わせからなる群から選択される。
７９． パラグラフ７８の方法であって、疾患特異的な状態が疾患、障害、または傷害の特定のステージである。
８０． パラグラフ７８または７９の方法であって、疾患特異的な状態が癌状態を含む。
８１． パラグラフ６５〜８０のいずれかの方法であって、予め決められた生理的エンドポイントが、予め決められた生理的エンドポイントに関連する少なくとも１つのマーカの存在によって検出される。
８２． パラグラフ６０〜８１のいずれかの方法であって、組織特異的な細胞が哺乳類細胞を含む。
８３． パラグラフ６０〜８２のいずれかの方法であって、組織特異的な細胞が気道、気管支、および／または鼻腔上皮細胞を含む。
８４． パラグラフ８３の方法であって、気道または気管支上皮細胞の生理的エンドポイントが、気道または気管支上皮細胞から繊毛細胞および／または粘液分泌細胞への分化である。
８５． パラグラフ８４の方法であって、分化状態が、繊毛関連マーカ、杯細胞関連マーカ、およびタイトジャンクション関連マーカの少なくとも１つの存在によって検出される。
８６． パラグラフ６０〜８５のいずれかの方法であって、レチノイン酸によって分化した細胞を処理することをさらに含む。
８７． パラグラフ８６の方法であって、レチノイン酸が扁平表現型を反転させる。
８８． パラグラフ６０〜８７のいずれかの方法であって、第１のサブチャネルの１つの末端が、気体流調節デバイスと係合するように適応している。
８９． パラグラフ８８の方法であって、気体流調節デバイスが、気体状流体の片方向および／または両方向の流れを提供するように適応している。
９０． パラグラフ８９の方法であって、気体状流体の両方向の流れが呼吸の間の空気流をシミュレーションする。
９１． パラグラフ８８〜９０のいずれかの方法であって、気体流調節デバイスが、フレキシブルな振動板によって囲い込まれた少なくとも１つの末端を有する気体受容チャンバを含む。
９２． パラグラフ９１の方法であって、フレキシブルな振動板が動くと気体受容チャンバが膨張または収縮する。
９３． パラグラフ６０〜９２のいずれかの方法であって、第１のサブチャネルをとおして流れる粒子の繊毛クリアランスを決定することをさらに含む。
９４． パラグラフ６０〜９３のいずれかの方法であって、第２のサブチャネルに面する膜の第２の表面上に第２の細胞層を形成することをさらに含む。
９５． パラグラフ９４の方法であって、第２の細胞層が血管関連細胞を含む。
９６． パラグラフ９５の方法であって、血管関連細胞が内皮細胞、線維芽細胞、平滑筋細胞、周皮細胞、またはそのいずれかの組み合わせを含む。
９７． パラグラフ６０〜９６のいずれかの方法であって、（例えば、正常な健常状態または疾患特異的な状態における）組織特異的な条件を模倣するインビトロモデルを主チャネル内に作り出すことをさらに含む。
９８． パラグラフ９７の方法であって、組織特異的な細胞が、疾患特異的な状態における組織特異的な条件に関連する少なくとも１つの特徴を見せるように適応している。
９９． パラグラフ９８の方法であって、組織特異的な細胞が、少なくとも１対象から単離された疾患特異的な細胞である。
１００． パラグラフ９８の方法であって、組織特異的な細胞が条件誘導因子と接触させられ、これが、疾患特異的な状態に関連する少なくとも１つの特徴を組織特異的な細胞が獲得することを誘導できる。
１０１． パラグラフ１００の方法であって、条件誘導因子が物理的因子または環境刺激（例えば、放射線または空気流のリズム）を含む。
１０２． パラグラフ１００または１０１の方法であって、条件誘導因子が化学的および／または生物学的因子（例えば、病原体および／または炎症促進性因子）を含む。
１０３． パラグラフ９７〜１０２のいずれかの方法であって、組織特異的な条件が肺疾患、障害、および／もしくは傷害、または空気媒介性疾患に関連する。
１０４． パラグラフ１０３の方法であって、肺疾患、障害、および／もしくは傷害、または空気媒介性疾患に関連する条件を模倣するように選択される組織特異的な細胞が、気道上皮細胞、気管支上皮細胞、および／または鼻腔上皮細胞を含む。
１０５． パラグラフ１０３または１０４の方法であって、肺疾患、障害、および／または傷害が、急性肺傷害、慢性肺障害、肺感染、および肺癌からなる群から選択される。
１０６． パラグラフ１０３の方法であって、空気媒介性疾患がウイルス感染または細菌感染である。
１０７． パラグラフ１０５の方法であって、急性肺傷害が、細菌性敗血症、出血性ショック、吸入毒性、薬物誘発性肺傷害（例えば、ブレオマイシン誘発性肺傷害）、またはそのいずれかの組み合わせからもたらされる肺傷害を含む。
１０８． パラグラフ１０５の方法であって、慢性肺障害が慢性閉塞性肺障害（ＣＯＰＤ）、喘息、嚢胞性線維症、線維化状態、サルコイドーシス、特発性肺線維症を含む。
１０９． パラグラフ９７〜１０２のいずれかの方法であって、組織特異的な条件が腸疾患または障害に関連する。
１１０． パラグラフ１０９の方法であって、腸疾患または障害に関連する条件を模倣するように選択される組織特異的な細胞が、腸細胞、結腸細胞、虫垂細胞、回腸細胞、盲腸細胞、十二指腸細胞、空腸細胞、またはそのいずれかの組み合わせを含む。
１１１． パラグラフ１０９または１１０の方法であって、腸疾患、障害、および／または傷害が、炎症性腸疾患、クローン病、潰瘍性大腸炎、セリアック病、血管形成異常、虫垂炎、腸捻転、慢性機能性腹痛、セリアック病、大腸癌、憩室症、子宮内膜症、エンテロウイルス、胃腸炎、ヒルシュスプルング病、回腸炎、過敏性腸症候群、ポリープ、偽膜性大腸炎、またはそのいずれかの組み合わせからなる群から選択される。
１１２． パラグラフ６０〜１１１のいずれかの方法であって、試験因子と組織特異的な細胞を接触させることをさらに含む。
１１３． パラグラフ１１２の方法であって、組織特異的な細胞が、第１のサブチャネルをとおしてのエアロゾルまたは液体としての送達によっておよび／または第２のサブチャネルからの拡散によって試験因子と接触させられる。
１１４． パラグラフ１１２または１１３の方法であって、試験因子が、蛋白質、ペプチド、核酸、抗原、ナノ粒子、環境毒素または汚染物質、煙草の煙、化粧品に用いられるケミカルまたは粒子、低分子、薬物または薬物候補、ワクチンまたはワクチン候補、エアロゾル、炎症促進性因子、天然に存在する粒子（花粉を包含する）、化学兵器、ウイルス、細菌、単細胞生物、サイトカイン、およびそのいずれかの組み合わせからなる群から選択される。
１１５． パラグラフ１１２〜１１４のいずれかの方法であって、細胞に及ぼす試験因子の効果の薬物動態、薬力学、または薬物動態−薬力学（ＰＫ−ＰＤ）アッセイおよび／または分析を行うことをさらに含み、それによって、細胞に及ぼす試験因子のインビトロの薬物動態および／または薬力学効果を決定する。
１１６． パラグラフ１１２〜１１５のいずれかの方法であって、試験因子に対する膜の少なくとも１つの側の細胞の応答、第１のサブチャネルを出る気体状流体、第２のサブチャネルを出る液体状流体、またはそのいずれかの組み合わせを測定することをさらに含む。
１１７． パラグラフ１１６の方法であって、前記細胞の応答を測定することが、第２のサブチャネルをとおして流れる免疫細胞の接着を測定すること、細胞標識、免疫染色、光学もしくは顕微鏡イメージング（例えば、免疫蛍光顕微鏡法および／または走査電子顕微鏡法）、遺伝子発現分析、サイトカイン／ケモカイン分泌分析、代謝物分析、ポリメラーゼ連鎖反応、免疫アッセイ、ＥＬＩＳＡ、遺伝子アレイ、またはそのいずれかの組み合わせを含む。
１１８． パラグラフ１１６または１１７の方法であって、細胞の応答、または試験因子に対する曝露後にデバイス内の流体中に存在するかもしくはデバイスからのアウトプット流体中に存在する少なくとも１つの構成要素の測定が、細胞に及ぼす試験因子の効果を決定する。
１１９． パラグラフ１１８の方法であって、効果が、繊毛クリアランス、細胞生存率、細胞層の透過性、細胞形態、蛋白質発現、遺伝子発現、細胞接着、免疫細胞の接着性、細胞分化、サイトカインもしくはケモカイン産生、炎症、またはそのいずれかの組み合わせを含む。
１２０． パラグラフ１１６または１１７の方法であって、細胞の応答、または試験因子に対する曝露後にデバイス内の流体中に存在するかもしくはデバイスからのアウトプット流体中に存在する少なくとも１つの構成要素の測定が、試験因子の有効性を決定する。
１２１． パラグラフ１１６または１１７の方法であって、細胞の応答、または試験因子に対する曝露後にデバイス内の流体中に存在するかもしくはデバイスからのアウトプット流体中に存在する少なくとも１つの構成要素の測定が、試験因子の毒性を決定する。
１２２． パラグラフ１１６または１１７の方法であって、細胞の応答、または試験因子に対する曝露後にデバイス内の流体中に存在するかもしくはデバイスからのアウトプット流体中に存在する少なくとも１つの構成要素の測定が、試験因子の有効性または毒性の機序を決定する。
１２３． パラグラフ１１６または１１７の方法であって、細胞の応答、または試験因子に対する曝露後にデバイス内の流体中に存在するかもしくはデバイスからのアウトプット流体中に存在する少なくとも１つの構成要素の測定が、物理的−化学的、薬物動態、または薬力学パラメータを決定する。
１２４． パラグラフ１１２〜１２３のいずれかの方法であって、組織特異的な細胞が条件特異的であるように適応しているときに、試験因子の効果の前記決定が、条件の処置のための治療薬を同定する。
１２５． パラグラフ１１２〜１２３のいずれかの方法であって、組織特異的な細胞が患者特異的であるときに、試験因子の効果の前記決定が、対象のための個別化された処置を同定する。
１２６． パラグラフ１１２〜１２３のいずれかの方法であって、組織特異的な細胞が患者集団特異的であるときに、試験因子の効果の前記決定が、その患者亜集団のために指定される処置を同定する。
１２７． パラグラフ６０〜１２６のいずれかの方法であって、第２のサブチャネルをとおして免疫細胞を流すことをさらに含む。
１２８． パラグラフ１２７の方法であって、第１のサブチャネル内の組織特異的な細胞および第２のサブチャネル内を流れる免疫細胞がインビトロの粘膜免疫モデルを形成する。
１２９． パラグラフ１２８の方法であって、粘膜免疫モデルが、ワクチンの有効性または免疫原性を決定するように適応している。
１３０． パラグラフ１２７〜１２９のいずれかの方法であって、免疫細胞の応答を測定することをさらに含む。
１３１． パラグラフ１３０の方法であって、免疫細胞の応答が経上皮遊走、成熟、活性化、殺細胞、および／または流入を含む。
１３２． パラグラフ６０〜１３１のいずれかの方法であって、
前記少なくとも１つのデバイスを第２のデバイスに接続することをさらに含み、これは、
その中に第２の主チャネルを含む第２のボディ、および、
第２の平面に沿って第２の主チャネル内に位置する第２の膜（第２の膜は、第２の主チャネルを区分して第１のサブチャネルおよび第２のサブチャネルを形成するように構成され、少なくとも第１のサブチャネルは、重層構造を形成するために十分な高さを有する）、および、
第１のサブチャネルに面する第２の膜の第１の表面上の第２の組織特異的な細胞（第２の組織特異的な細胞は、第２の予め決められた生理的エンドポイントに対応する少なくとも１つの特徴を見せる）、
を含む。
１３３． パラグラフ１３２の方法であって、空気流を前記少なくとも１つのデバイスの第１のサブチャネルから第２のデバイスの第１のサブチャネルに導くことをさらに含む。
１３４． パラグラフ１３２または１３３の方法であって、前記少なくとも１つのデバイス内の組織特異的な細胞が病原体感染細胞を含み、第２のデバイス内の第２の組織特異的な細胞が正常な健常細胞である。
１３５． パラグラフ１３２〜１３４のいずれかの方法であって、空気流の曝露後に、病原体感染細胞の応答を測定することをさらに含む。
１３６． パラグラフ１３２〜１３５のいずれかの方法であって、前記少なくとも１つのデバイスの第１のサブチャネルからの空気流の曝露後に、正常な健常細胞の応答を測定することをさらに含む。
１３７． パラグラフ１３６の方法であって、正常な健常細胞の測定された応答が空気媒介性病原体の伝播性を決定する。
１３８． パラグラフ６０〜１３７のいずれかの方法であって、膜がリジッドである。
１３９． パラグラフ６０〜１３７のいずれかの方法であって、膜が少なくとも部分的に フレキシブルである。
１４０． パラグラフ６０〜１３９のいずれかの方法であって、主チャネル内において動くかまたは変形するように膜を機械的に調節することをさらに含む。
１４１． パラグラフ１４０の方法であって、膜の機械的調節が生理的な歪みをシミュレーションする。
１４２． パラグラフ１４１の方法であって、シミュレーションされた生理的な歪みが、呼吸、蠕動、または心臓鼓動に関連する運動によって生ずる歪みと実質的に同じである。
１４３． パラグラフ１４０〜１４２のいずれかの方法であって、膜がニューマチックな機序によって機械的に調節される。
１４４． パラグラフ１４３の方法であって、
デバイスが、第１のチャネル壁によって第２のサブチャネルおよび第１のサブチャネルから分離された第１の操作用チャネルをさらに含み、
膜の第１の縁が第１のチャネル壁に固定され、膜の第２の縁が主チャネルの反対の壁に固定され、
第１の操作用チャネルが、主チャネルの高さよりも小さい第１の高さを有する。
１４５． パラグラフ１４４の方法であって、
デバイスが、第２のチャネル壁によって第２のサブチャネルおよび第１のサブチャネルから分離された第２の操作用チャネルをさらに含み、
膜の第２の縁が第２のチャネル壁に固定され、
第２の操作用チャネルが、主チャネルの高さよりも小さい第２の高さを有する。
１４６． パラグラフ１４４または１４５の方法であって、第１の操作用チャネルと主チャネルとの間に第１の圧力差を加えて、膜が主チャネル内において平面に沿って引き伸ばされるかまたは引き戻されることを引き起こすことをさらに含む。
１４７． パラグラフ１４５〜１４６のいずれかの方法であって、第２の操作用チャネルと主チャネルとの間に第２の圧力差を加えて、膜が主チャネル内において平面に沿って引き伸ばされるかまたは引き戻されることを引き起こすことをさらに含む。
１４８． パラグラフ１４６または１４７の方法であって、前記第１のまたは第２の圧力差を加えることが、第１の操作用チャネルまたは第２の操作用チャネル内に周期的な圧力を加えることを含み、その結果、第１のチャネル壁に固定された膜の第１の縁および／または第２のチャネル壁に固定された膜の第２の縁が、主チャネル内において平面に沿って引き伸ばされるかまたは引き戻される。
１４９． パラグラフ６０〜１４８の方法であって、第２のサブチャネル内の液体状流体が細胞培養培地および／または生体液を含む。
１５０． パラグラフ１４９の方法であって、生体液が血液を含む。
１５１． マイクロ構造およびメソ構造を含むマイクロ流体デバイスを作る方法であって、メソ構造の寸法がマイクロ構造の寸法よりも実質的に大きく、方法が、
マイクロ構造の突出したフィーチャを有する半導体ウェーハモールドをフォトリソグラフィによって生成することと、
メソ構造の突出したフィーチャを有する熱可塑性モールドをステレオリソグラフィによって生成することと、
を含む。
１５２． パラグラフ１５１の方法であって、メソ構造およびマイクロ構造の寸法が少なくとも２の係数によって異なる。
１５３． パラグラフ１５１または１５２の方法であって、半導体ウェーハモールドへのキャストによってマイクロ構造を形成することをさらに含む。
１５４． パラグラフ１５１〜１５３のいずれかの方法であって、熱可塑性モールドへのキャストによってメソ構造を形成することをさらに含む。
１５５． パラグラフ１５４の方法であって、形成されたメソ構造が平滑な表面仕上げを有する。
１５６． パラグラフ１５５の方法であって、メソ構造の平滑な表面仕上げがマイクロ構造への接合をたやすくする。
１５７． パラグラフ１５１〜１５６のいずれかの方法であって、メソ構造が、第１の基板の下側表面に配設されるメソチャネルである。
１５８． パラグラフ１５１〜１５７のいずれかの方法であって、マイクロ構造が、第２の基板の上側表面に配設されたマイクロチャネルである。
１５９． パラグラフ１５７または１５８の方法であって、
少なくとも部分的に多孔質の膜をマイクロチャネルの上側表面とメソチャネルの下側表面との間に置くことと、
膜と第１の基板および第２の基板との間に流体シールを形成し、それによって、その中に主チャネルを有するデバイスのボディを形成することと、
をさらに含み、
主チャネルが、膜によって分離されたマイクロチャネルおよびメソチャネルを含む。
１６０． パラグラフ１５９の方法であって、前記流体シールを形成することが、膜と第１の基板および第２の基板との間に化学結合を形成することを含む。
１６１． パラグラフ１６０の方法であって、接着性の化学的コーティングを用いることによって化学結合が形成されて、第１の基板の下側表面および第２の基板の上側表面に膜を共有結合的に接合する。
１６２． パラグラフ１６１の方法であって、接着性の化学的コーティングが（３−アミノプロピル）トリエトキシシラン（ＡＰＴＥＳ）を含む。
１６３． パラグラフ１５９〜１６２のいずれかの方法であって、流体シールが可逆的であり、その結果、膜は検査のためにデバイスから取り外されることができる。
１６４． パラグラフ１６３の方法であって、前記流体シールを形成することが、膜を第１の基板と第２の基板との間にクランプすることを含む。
１６５． パラグラフ１５９〜１６４の方法であって、前記流体シールを形成することが、第１の基板の上側表面と第２の基板の下側表面との間にプラズマ接合を形成することを含む。
１６６． パラグラフ１５７〜１６５のいずれかの方法であって、第１の基板、第２の基板、および／または膜が、ポリジメチルシロキサン、ポリウレタン、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレン（ＳＥＢＳ）、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリエステル、ケイ素、またはそのいずれかの組み合わせを含む。
１６７． ワクチンを開発する方法であって、
少なくとも１つのデバイスを提供し、これが、
ａ．その中に主チャネルを含むボディ、および、
ｂ．主チャネル内において平面に沿って位置する少なくとも部分的に多孔質の膜（膜は、主チャネルを区分して第１のサブチャネルおよび第２のサブチャネルを形成するように構成され、少なくとも第１のサブチャネルは、重層構造を形成するために十分な高さを有する）、および、
ｃ．第１のサブチャネルに面する膜の第１の表面上の組織特異的な上皮細胞、
を含むこと、
第１のサブチャネルをとおして気体状流体を流すこと、
第２のサブチャネルをとおして免疫細胞を含む液体状流体を流すこと、
ワクチン候補と組織特異的な上皮細胞を接触させること、
微生物とのワクチン処理された組織特異的な上皮細胞をによる接触、
微生物に対する組織特異的な上皮細胞の応答を測定し、それによって、微生物に対するワクチン候補の有効性を決定すること、
を含む。
１６８． パラグラフ１６７の方法であって、組織特異的な上皮細胞が異なる用量でワクチン候補と接触させられ、それによって、微生物に対するワクチン候補の最適な用量を決定する。
１６９． パラグラフ１６７または１６８の方法であって、免疫細胞の応答を測定することをさらに含む。
１７０． パラグラフ１６９の方法であって、免疫細胞の応答が経上皮遊走、成熟、活性化、殺細胞、および／または流入を含む。
１７１． パラグラフ６０〜１７０のいずれかの方法であって、主チャネルが直線である。
１７２． パラグラフ６０〜１７０のいずれかの方法であって、主チャネルが非直線部分を含む。
１７３． パラグラフ１４４〜１４８のいずれかの方法であって、第１のおよび／または第２の操作用チャネルの高さが主チャネルの高さよりも大きい。
１７４． パラグラフ１４４〜１４８のいずれかの方法であって、第１のおよび／または第２の操作用チャネルの高さが主チャネルの高さと実質的に同じかまたはそれよりも小さい。
別様に定められない限り、本明細書に用いられる全ての技術および科学用語は、本発明が属する分野の業者によって普通に理解されるのと同じ意味を有する。
本発明が本明細書に記載される特定の方法論、プロトコール、および試薬などに限定されず、従って変形し得るということは理解されるべきである。本明細書において用いられる専門用語は単に特定の実施形態を記載する目的のためであり、専ら請求項によって定められる本発明の範囲を限定することは意図されていない。
実施例中、または別様に指示されているところ以外では、本明細書において用いられる成分または反応条件の量を表現する全ての数は、全ての場合において用語「約」によって修飾されると理解されるべきである。用語「約」は、本発明を記載するために用いられるときには、パーセンテージに関連して±５％を意味する。
１つの態様において、本発明は、本発明に不可欠なものとしての本明細書に記載される組成物、方法、およびそのそれぞれの構成要素（単数または複数）に関するが、これらは、不可欠であろかまたは不可欠でない指定されていない要素の包含に対して開放的である（「を含む」）。一部の実施形態において、組成物、方法、またはそのそれぞれの構成要素の記載に包含されるべき他の要素は、本発明の基本的および新規特徴（単数または複数）に実質的に影響しないものに限定される（「から本質的になる」）。これは、記載された方法内のステップ、さらにはその中の組成物および構成要素に等しく当てはまる。他の実施形態において、本明細書に記載される本発明、組成物、方法、およびそのそれぞれの構成要素は、構成要素、組成物、または方法の不可欠な要素と見なされないいずれかの要素を含まないことが意図される（「からなる」）。
同定された全ての特許、特許出願、および公開は、例えば、本発明に関連して用いられ得るかかる公開に記載された方法論を記載および開示する目的のために、参照によって本明細書に明示的に組み込まれる。それらの公開は、専ら本願の出願日に先立つそれらの開示ゆえに提供されている。この点の何物も、本発明者が先行発明の効力によってまたはいずれかの他の理由でかかる開示に先行する権利を有さないという承認として解釈されるべきではない。それらの文書の日付に関する全ての申し立てまたは内容に関する説明は、本出願人が利用可能な情報に基づいており、それらの文書の日付または内容の正しさに関するいずれかの承認とはならない。
次の実施例は本発明の一部の実施形態および態様を例示している。種々の改変、追加、置換、および同様のものが、本発明の趣旨または範囲を変改することなしに行われ得、かかる改変および変形は、次の請求項において定められる本発明の範囲内に包摂されるということは、当業者には明らかであろう。次の実施例は本発明を決して限定しない。
＜実施例１．繊毛、粘液（mucous）分泌、およびクララ細胞へのヒト初代気道（例えば、細気道）上皮細胞の分化＞
トランスウェルシステムにおいて気道上皮細胞を分化させる方法が以前に記載されている（Villenave et al., PNAS 2012, 109 (13) 5040-5045およびVillenave et al., J. Virol., 2010, 84 (22) 11718-11728）。しかしながら、マイクロ流体セッティングにおいて初代ヒト気道上皮細胞を分化させるためのテクノロジおよび方法はまだ存在したことがない。下では、ヒト初代気道上皮細胞（例えば、初代細気道上皮細胞）を分化させるための例のプロトコールが呈されている。
［培地＃１］
気管支上皮細胞基礎培地（ＢＥＢＭ）の５００ｍｌ（ロンザ、Ｃａｔ＃ＣＣ−３１７１）＋ＢＥＧＭのＳｉｎｇｌｅＱｕｏｔキットＳｕｐｐｌ．＆ＧｒｏｗｔｈＦａｃｔｏｒｓ（ロンザ、Ｃａｔ＃ＣＣ−４１７５）。これらのサプリメントは次の通り示される。
１． ＢＰＥ、〜２ｍｌ
２． ヒドロコルチゾン、〜０．５ｍｌ
３． ｈＥＧＦ（ヒト上皮成長因子）、０．５ｍｌ
４． エピネフリン、〜０．５ｍｌ
５． トランスフェリン、〜０．５ｍｌ
６． インスリン、〜０．５ｍｌ
７． レチノイン酸、〜０．５ｍｌ
８． トリヨードサイロニン（Ｔ３）、〜０．５ｍｌ
９． ＧＡ−１０００（ゲンタマイシン）、〜０．５ｍｌ
［培地＃２］
ＢＥＢＭの２５０ｍｌ（ロンザ、Ｃａｔ＃ＣＣ−３１７１）＋ＤＭＥＭの２５０ｍｌ（ライフテクノロジズ、Ｃａｔ＃１１８８５−０９２）。１％ｖ／ｖのペニシリン／ストレプトマイシン＋次のサプリメント＆成長因子を補われた。
１． ＢＰＥ、〜２ｍｌ
２． ヒドロコルチゾン、〜０．５ｍｌ
３． ｈＥＧＦ（ヒト上皮成長因子）、〜０．５ｍｌ
４． エピネフリン、〜０．５ｍｌ
５． トランスフェリン、〜０．５ｍｌ
６． インスリン、〜０．５ｍｌ
７． ＢＳＡ（ウシ血清アルブミン）、〜５００ｍｌのＢＥＢＭ／ＤＭＥＭ混合培地当り〜１．５ｍｇ／ｍｌの〜１ｍｌ
８． レチノイン酸、〜５００ｍｌのＢＥＢＭ／ＤＭＥＭ混合培地当り〜０．０１５ｍｇ／ｍｌの〜０．５ｍｌ
品目１〜６はＢＥＧＭのＳｉｎｇｌｅＱｕｏｔキットＳｕｐｐｌ．＆ＧｒｏｗｔｈＦａｃｔｏｒｓ（ロンザ、Ｃａｔ＃ＣＣ−４１７５）から得られた。品目７はシグマから購入され（Ｃａｔ＃Ａ９５７６）、培地＃１中で希釈された。品目８はシグマから購入され（Ｃａｔ＃Ｒ２６２５）、ＤＭＳＯ中で希釈された。
［培地＃３］
ＢＥＢＭの２５０ｍｌ（ロンザ、Ｃａｔ＃ＣＣ−３１７１）＋ＤＭＥＭの２５０ｍｌ（ライフテクノロジズ、Ｃａｔ＃１１８８５−０９２）＋次のサプリメント＆成長因子。
１． ＢＰＥ、〜２ｍｌ
２． ヒドロコルチゾン、〜０．５ｍｌ
３． ｈＥＧＦ（ヒト上皮成長因子）、〜０．５ｍｌ
４． エピネフリン、〜０．５ｍｌ
５． トランスフェリン、〜０．５ｍｌ
６． インスリン、〜０．５ｍｌ
７． ＢＳＡ（ウシ血清アルブミン）、〜５００ｍｌのＢＥＢＭ／ＤＭＥＭ混合培地当り〜１．５ｍｇ／ｍｌの〜１ｍｌ
８． レチノイン酸、〜５００ｍｌのＢＥＢＭ／ＤＭＥＭ混合培地当り〜３ｍｇ／ｍｌの〜０．５ｍｌ
品目１〜６はＢＥＧＭのＳｉｎｇｌｅＱｕｏｔキットＳｕｐｐｌ．＆ＧｒｏｗｔｈＦａｃｔｏｒｓ（ロンザ、Ｃａｔ＃ＣＣ−４１７５）から得られた。品目７はシグマから購入され（Ｃａｔ＃Ａ９５７６）、培地＃１中で希釈された。品目８はシグマから購入され（Ｃａｔ＃Ｒ２６２５）、ＤＭＳＯ中で希釈された。
［分化手順］
・培地＃２の約２０〜４０μｌ中に再懸濁された約２×１０５個の初代気道上皮細胞（例えば、初代細気道上皮細胞）が、図２Ｇに示されている１つの実施形態に従うデバイス内に、「気道内腔」チャネルの入口または出口をとおして添加される。
・細胞は３７℃、５％ＣＯ２において少なくとも約３時間インキュベーションされて、膜（例えば、リジッドポリエステルもしくはポリカーボネート膜またはフレキシブルＰＤＭＳ膜）への接着を許す。
・デバイスが、シリンジポンプを用いて約３０μｌ／ｈで、またはペリスタルティックポンプを用いて約６１μｌ／ｈで、上側メソチャネルおよび下側マイクロチャネル両方において培地流に接続される。
・培地＃２が液面下条件下での培養に用いられる。
・細胞が完全なコンフルエントに達する培養の約４〜５日後に、「気道内腔」チャネルの出口をとおしてゆっくりと頂端の培地を取り除くことによって、空気−液体界面（ＡＬＩ）が生成される。
・培地＃３がＡＬＩの間の培養に用いられ得る。
・できたての培地の定期的な補充によって（例えば、調製したての培地が５〜７日毎にリザーバに添加される）、細胞は約３〜４週間培養中に保たれる。
・分化チップの品質は顕微鏡イメージングによって規則的に評価される。一部の実施形態において、デバイスは流れから切り離され得る。約〜１００〜２００μｌの培地＃３が「気道内腔」チャネル内に添加され、デバイスは顕微鏡下で可視化される。検査後に、頂端の培地（「気道内腔」チャネル内）が取り除かれて、細胞が完全に分化して来るまでＡＬＩを復元する。
細胞の分化状態は、繊毛関連マーカ、杯（globet）細胞関連マーカ、および／またはタイトジャンクション関連マーカの存在を検出することによって決定され得る。例えば、図５Ｄは、膜上の初代細気道上皮の形成を示す一式の免疫蛍光画像である。タイトジャンクション蛋白質（例えば、ＴＪＰ−１および／またはＺＯ−１）が、形成された上皮によって形成される機能的なタイトジャンクションバリアを示すために検出された。図５Ｅは、気道上皮細胞から繊毛細胞への分化を示す一式の免疫蛍光およびＳＥＭ画像である。図５Ｆは、本明細書に記載されるデバイス内の分化した上皮初代細胞の３Ｄ像（繊毛振動：ベータ−チューブリンＩＣによって検出、粘液分泌：Ｍｕｃ５ＡＣによって検出）を示している。図５Ｇは、本明細書に記載されるデバイスのメソチャネルの長さに沿って繊毛細胞の代表的な画像を示している。空気−液体界面における培養の約３週間の後の豊富な繊毛振動の一様な分布は、インビボの上皮分化のホールマークである。
本明細書に記載されるデバイスを用いて、細気道ヒト上皮（細気管支）細胞がクララ細胞にもまた分化し得る。それらの細胞は頂端がドーム形状の細胞であり、これらはｐ４５０のような薬物代謝酵素を含有し、ＣＣ１０（クララ細胞分泌蛋白質１０）のような蛋白質を分泌する。ＣＣ１０に対する抗体が用いられて、デバイス内のそれらの細胞を同定した。図２９Ａは、デバイス内での細気管支細胞の良い分化の後の、ＣＣ１０によって染色されたクララ細胞およびβ−チューブリンＩＶによって標識された繊毛細胞の共焦点顕微鏡の上側像の画像である。クララ細胞は走査電子顕微鏡法によってもまたイメージングされた。図２９Ｂは、デバイス内で育てられた分化した細気管支細胞の走査電子顕微鏡写真であり、広範囲の繊毛細胞被覆（「１」矢印）、正常では粘液（mucous）産生杯細胞の頂端膜を示す微絨毛（「２」矢印）、およびクララ細胞を示すいくつかのドーム形状の構造（「３」矢印）を示している。
＜実施例２．慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ）の効果を模倣するための本明細書に記載されるデバイスの使用＞
上で実施例１に記載されたのと類似の分化プロトコールが用いられて、健常な正常および慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ）気道両方から得られた気道上皮細胞を培養し、本明細書に記載されるデバイス内において偽重層粘膜繊毛上皮に分化するように細胞を誘導し得る。図２５Ａ〜２５Ｂは、本明細書に記載されるデバイス内における空気−液体界面（ＡＬＩ）誘導の後の、良く分化した正常およびＣＯＰＤ上皮の共焦点画像である。
ＣＯＰＤ疾患表現型が本明細書に記載されるデバイス内で確立されたかどうかを決定するために、分化した細胞は例えば炎症促進性因子（例えば、病原体またはその断片、例えばリポ多糖）によって刺激され、それからＴｏｌｌ様受容体４（ＴＬＲ４）およびＴＬＲ３の遺伝子発現レベルが測定され、正常細胞におけるレベルと比較された。
ＴＬＲ（例えば、ＴＬＲ３およびＴＬＲ４）は、気道上皮細胞において刺激因子（例えば病原体またはその断片、例えばリポ多糖）に対する応答および認識を媒介する分子である。定量的なアッセイ（例えば、リアルタイムポリメラーゼ連鎖反応（ｑＰＣＲ））が行われて、本明細書に記載されるデバイス内で育てられた正常／健常およびＣＯＰＤ由来上皮細胞の間のＴＬＲ４およびＴＬＲ３の発現のｍＲＮＡレベルの違いを同定および決定した。図２６Ａは、ＣＯＰＤデバイス（すなわち、ＣＯＰＤ由来細胞を有するデバイス）が健常デバイス（すなわち、健常細胞を有するデバイス）よりも低いＴＬＲ３およびＴＬＲ４のｍＲＮＡレベルを見せたということを示している。ＣＯＰＤデバイスと健常デバイスとの間で検出されたＴＬＲ４のｍＲＮＡレベルの違いは、ＣＯＰＤおよび健常患者の間で一般的に観察されることと一致している。
次に、ＴＬＲ刺激に応答したサイトカイン産生を決定しようとした。サイトカインは炎症に関与する分子であり、それらの生成はＴＬＲ活性化によって調節され得る。良く分化した（すなわち粘膜繊毛）上皮（正常およびＣＯＰＤ由来）がリポ多糖（ＬＰＳ）によって刺激された後に、ｑＰＣＲが細胞に対して行われて、本明細書に記載されるデバイス内のＣＯＰＤおよび健常上皮の間で炎症性応答を比較した。ＬＰＳはＴＬＲ４を刺激する細菌由来分子である。健常上皮細胞においてＩＬ８を増大させることなしに、ＬＰＳがＣＯＰＤ上皮細胞からのＩＬ８分泌を選択的に誘導するということが見いだされた（図２６Ｂ）。これは、ＣＯＰＤ患者が過敏性炎症的であり、より多くの炎症促進性メディエータを産生するという臨床報告および他のエクスビボ観察と辻褄が合っている。類似に、分化した（すなわち粘膜繊毛）上皮（正常およびＣＯＰＤ由来）がポリ（Ｉ：Ｃ）（ポリイノシン・ポリシチジン酸。ウイルス感染を模倣し、ＴＬＲ３を刺激する二本鎖ＲＮＡの合成アナログ）によって刺激されたときには、ポリ（Ｉ：Ｃ）はＣＯＰＤ上皮細胞においてはＭ−ＣＳＦを選択的に上方制御し、一方、健常上皮細胞においては有意な変化はなかった（図２６Ｃ）。Ｍ−ＣＳＦは、我々の体内において免疫細胞の部分集合（例えば、マクロファージ）の生存および分化を促進するサイトカインである。これは、健常な個人におけるマクロファージの数と比較して、ＣＯＰＤ患者の肺には一般的にマクロファージの増大した数があるという一般的な観察と合致する。２つの他のサイトカイン（ＩＰ−１０およびＲＡＮＴＥＳ）の発現は、健常ドナーおよびＣＯＰＤ上皮細胞両方においてポリ（Ｉ：Ｃ）によって誘導された（図２６Ｄ〜２６Ｅ）。
＜実施例３．複雑な３細胞型マイクロ流体共培養システムの確立＞
本明細書に記載されるデバイスのいずれかの実施形態は、下に記載される３細胞型マイクロ流体共培養システムを確立するために用いられ得る。３細胞型マイクロ流体共培養システムは繊毛上皮、内皮、および循環白血球を含む。単に例として、図２７Ａは本例に用いられたデバイスの１つの実施形態を示している。デバイスは、ＥＣＭコーティングされた多孔質膜によって分離された２つの平行なチャネル（ｉ）ヒト肺細気道の半径に対応する高さ（１０００μｍ）を有する上側メソチャネル（「気道内腔」チャネル）と（ｉｉ）毛細血管後細静脈（インビボの白血球リクルートおよび接着の主な部位）を再現するための下側マイクロチャネル（「微小血管」チャネル）（深さ１００μｍ）とを含んだ。上皮はメソチャネルに面する膜の１つの側で培養され、一方、内皮はマイクロチャネルに面する膜の別の側で培養された。好中球（neurophil）（感染および炎症に重要な循環免疫細胞の部分集合。ＣＯＰＤを包含する多くの疾患において蓄積し、肺の病理に寄与する）がそれから「微小血管」チャネル内に導入された。
内皮−白血球相互作用を可視化するために、分化した気道上皮細胞がデバイス内においてポリ（Ｉ：Ｃ）の１０μｇ／ｍｌによって６ｈ刺激されて、ＴＬＲ３経路刺激による炎症表現型を模倣した。それから、単離したての血中好中球が内皮層（ポリ（Ｉ：Ｃ）による気道上皮細胞の刺激によって活性化された）上を「微小血管」チャネルをとおして流されて、１ダイン／ｃｍ２の生理的な壁剪断ストレスを生成した。一連のタイムラプス顕微鏡画像（図２７Ｂ）は、予め接着していた好中球（円形）に隣接する内皮への流れる好中球（左から第１のパネルにおいては見えないが、第２のパネルでは見える。矢頭によって示されている）の捕捉を示した。最初の取り付きの後、好中球は活性化した内皮の頂端表面を這い、それから強固に接着した（時間は秒で示されている）。バックグラウンド中の影は、ライブ高速マルチチャンネル画像収集の間に好中球チャンネル内に漏れている弱い内皮蛍光シグナルである。
細胞接着分子の遺伝子発現を分析するために、完全に分化した上皮細胞がデバイス内で肺微小血管内皮細胞と共培養され、頂端をポリ（Ｉ：Ｃ）の１０μｇ／ｍｌによって６ｈ刺激され、それから内皮細胞がリシスされて、Ｅ−セレクチンおよびＶＣＡＭ１のｍＲＮＡレベルを決定した。Ｅ−セレクチン（内皮セレクチン）は内皮細胞上に発現される細胞接着分子であり、炎症の間に上方制御される。ＶＣＡＭ１（血管細胞接着分子１）は内皮細胞が発現する別の細胞接着分子である。これらの分子の両方とも、循環からの白血球の捕捉および接着にとって重要である。図２７Ｃに示されている通り、ポリ（Ｉ：Ｃ）による上皮チャレンジは、ポリ（Ｉ：Ｃ）チャレンジなしの細胞と比較して、内皮細胞におけるＥ−セレクチン遺伝子発現の有意な上方制御とより高いが統計上有意ではないＶＣＡＭ−１転写物レベルとを誘導した。
＜実施例４．細気道模倣デバイス内において好中球捕捉および接着ならびに炎症抑制に対する薬物有効性を比較する＞
ＣＯＰＤ上皮−微小血管内皮共培養デバイスが、例えば実施例１または２に記載された通り確立され、それからコルチコステロイド薬ブデソニド（１０ｎＭ）もしくはＰＦＩ−２（ブロモドメイン含有蛋白質４（ＢＲＤ４）阻害剤薬。５００ｎＭ）どちらかによって処理されるか、または無処理のままにされた。それから、ＣＯＰＤ上皮はポリ（Ｉ：Ｃ）の１０μｇ／ｍｌによって「気道内腔」チャネルを介して６ｈ刺激され、それから、リクルートされた好中球の接着について検査された。好中球は実験の直前にヘキストによって染色されて、可視化および定量を許した。３つの条件の代表的な免疫蛍光画像が図２８Ａに例示されている。
好中球接着に及ぼすブデソニドおよびＰＦＩ−２の効果が定量された。ＰＦＩ−２は無処理およびブデソニドと比較して好中球リクルートを有意に低下させ、一方で、ブデソニドの効果は有意ではなかった（図２８Ｂ）。
炎症性サイトカイン分泌を抑制することにおけるブデソニドおよびＰＦＩ−２の能力を比較するために、共培養デバイスの「微小血管」チャネルからの分泌されたサイトカインもまた、好中球リクルートアッセイに先立って多重サイトカイン検出システムによって分析された。図２８Ｃは、ＰＦＩ−２が、ブデソニドとは違って、好中球化学誘引物質ＩＬ−８、ＧＲＯα、およびＧＭ−ＣＳＦ、単球化学誘引物質ＭＣＰ−１、ならびに急性炎症関連サイトカインＩＬ−６の分泌を有意に低下させたということを示している。
＜実施例５．薬物有効性の評価のための気道チップ内の喘息様表現型の誘導＞
本明細書に記載されるデバイス内において喘息様表現型を発生させるために、例えば実施例１または２に記載された方法を用いて気道細胞がデバイス内で分化させられ、それからＩＬ−１３によって刺激されて、デバイス内で喘息様表現型を誘導した。ＩＬ−１３は免疫細胞によって分泌される蛋白質であり、これは喘息患者の肺において大量に見いだされる。ＩＬ−１３によって刺激されたデバイス内の細胞は喘息の少なくとも少数のホールマークを再現し、例えば、杯細胞（粘液を産生する細胞）のより多数（図３０Ａおよび３０Ｂ）、より低い繊毛振動周波数（図３０Ｄ）、およびＧ−ＣＳＦおよびＧＭ−ＣＳＦのより高分泌（図３０Ｃ）を、ＩＬ−１３刺激なしの細胞と比較して有した。
それから、「気道」デバイスはトファシチニブ（ＪＡＫ阻害剤）の薬物有効性を評価するために用いられた。ＩＬ−１３によって刺激された細胞がトファシチニブによって処理され、本薬物がＩＬ−１３によって刺激された培養物において喘息に関連する表現型を反転させることができるということが見いだされた。例えば、本薬物は、ＩＬ−１３によって刺激された培養物において、健常レベルまで杯細胞の数を減少させて（図３０Ａ〜３０Ｂ）ＧＭ−ＣＳＦおよびＧ−ＣＳＦ分泌を減少させること（図３０Ｃ）、および／または繊毛振動周波数を増大させること（図３０Ｄ）もまたできた。

Claims (174)

  1. デバイスであって、
    ａ．その中に主チャネルを含むボディ、および
    ｂ．前記主チャネル内において平面に沿って位置する膜、
    を含み、
    前記膜は、前記主チャネルを区分して少なくとも１つのマイクロチャネルおよび少なくとも１つのメソチャネルを形成するように構成され、
    前記メソチャネルの高さは前記マイクロチャネルの高さよりも実質的に大きい、
    デバイス。
  2. 請求項１に記載のデバイスであって、
    前記メソチャネルの前記マイクロチャネルに対する高さ比が、約２．５：１から約５０：１の範囲である、デバイス。
  3. 請求項１または２に記載のデバイスであって、
    前記メソチャネルの前記マイクロチャネルに対する高さ比が、約５：１から約２５：１の範囲である、デバイス。
  4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のデバイスであって、
    前記膜が、リジッドである、デバイス。
  5. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のデバイスであって、
    前記膜が、少なくとも部分的にフレキシブルである、デバイス。
  6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のデバイスであって、
    前記膜が、約１μｍから約１００μｍの厚みを有する、デバイス。
  7. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のデバイスであって、
    前記膜が、約１００ｎｍから約５０μｍの厚みを有する、デバイス。
  8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載のデバイスであって、
    前記膜が、非多孔質である、デバイス。
  9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載のデバイスであって、
    前記膜が、少なくとも部分的に多孔質である、デバイス。
  10. 請求項９に記載のデバイスであって、
    前記膜の細孔が、約０．１μｍから約１５μｍの直径を有する、デバイス。
  11. 請求項９または１０に記載のデバイスであって、
    中心から中心までの細孔間隔が、約１μｍから約１００μｍの範囲である、デバイス。
  12. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載のデバイスであって、
    前記メソチャネルの１つの末端が、気体流調節デバイスと係合するように適応している、デバイス。
  13. 請求項１２に記載のデバイスであって、
    前記気体流調節デバイスが、気体の片方向または両方向の流れを提供するように適応している、デバイス。
  14. 請求項１２または１３に記載のデバイスであって、
    前記気体流調節デバイスが、フレキシブルな振動板によって囲い込まれた少なくとも１つの末端を有する気体受容チャンバを含む、デバイス。
  15. 請求項１４に記載のデバイスであって、
    前記フレキシブルな振動板が動くと前記気体受容チャンバが膨張または収縮する、デバイス。
  16. 請求項１〜１５のいずれか一項に記載のデバイスであって、
    前記メソチャネルの別の末端が、気体流ジェネレータと係合するように適応している、デバイス。
  17. 請求項１〜１６のいずれか一項に記載のデバイスであって、
    前記ボディが、前記主チャネル内の前記膜の機械的調節を提供するようにさらに適応している、デバイス。
  18. 請求項１７に記載のデバイスであって、
    前記ボディが、第１のチャネル壁によって前記マイクロチャネルおよび前記メソチャネルから分離された第１の操作用チャネルをさらに含み、
    前記膜の第１の縁が、前記第１のチャネル壁に固定され、
    前記膜の第２の縁が、前記主チャネルの反対の壁に固定され、
    前記第１の操作用チャネルが、前記膜の周りに位置し、その結果、前記第１の操作用チャネルと前記主チャネルとの間に加えられる圧力差が、前記主チャネル内において前記平面に沿って第１の望まれる方向に前記膜が引き伸ばされるかまたは引き戻されることを引き起こす、
    デバイス。
  19. 請求項１８に記載のデバイスであって、
    前記ボディが、第２のチャネル壁によって前記マイクロチャネルおよび前記メソチャネルから分離された第２の操作用チャネルをさらに含み、
    前記膜の前記第２の縁が、前記第２のチャネル壁に固定され、
    前記第２の操作用チャネルが、前記膜の周りに位置し、その結果、前記第２の操作用チャネルと前記主チャネルとの間に加えられる前記圧力差が、前記主チャネル内において前記平面に沿って第２の望まれる方向に前記膜が引き伸ばされるかまたは引き戻されることを引き起こす、
    デバイス。
  20. 請求項１８または１９に記載のデバイスであって、
    前記第１の操作用チャネルの第１の高さおよび前記第２の操作用チャネルの第２の高さが、前記主チャネルの高さよりも小さい、デバイス。
  21. 請求項１８〜２０のいずれか一項に記載のデバイスであって、
    前記第１の操作用チャネルおよび前記第２の操作用チャネルの少なくとも１つまたは両方が、前記膜の周りに対称的に配列される、デバイス。
  22. 請求項１〜２１のいずれか一項に記載のデバイスであって、
    前記マイクロチャネルの高さが、約２０μｍから約１ｍｍの範囲である、デバイス。
  23. 請求項１〜２１のいずれか一項に記載のデバイスであって、
    前記マイクロチャネルの高さが、約５０μｍから約２００μｍの範囲である、デバイス。
  24. 請求項１〜２３のいずれか一項に記載のデバイスであって、
    前記メソチャネルの寸法が、細胞成長および／または細胞分化にとって適切な流体剪断ストレスを提供するように構成される、デバイス。
  25. 請求項１〜２４のいずれか一項に記載のデバイスであって、
    前記メソチャネルの高さが、重層または３次元組織の形成にとって十分である、デバイス。
  26. 請求項１〜２５のいずれか一項に記載のデバイスであって、
    前記メソチャネルの高さの前記主チャネルの幅に対するアスペクト比が、約１：５から約２５：１の範囲である、デバイス。
  27. 請求項１〜２６のいずれか一項に記載のデバイスであって、
    前記メソチャネルの高さが、約１００μｍから約５０ｍｍの範囲である、デバイス。
  28. 請求項１〜２７のいずれか一項に記載のデバイスであって、
    前記主チャネルの幅が、約２００μｍから約１０ｍｍの範囲である、デバイス。
  29. 請求項１〜２８のいずれか一項に記載のデバイスであって、
    前記膜の少なくとも１つの表面が、それに接着した細胞を含む、デバイス。
  30. 請求項２９に記載のデバイスであって、
    前記細胞が、１つ以上の細胞層を形成する、デバイス。
  31. 請求項２９または３０に記載のデバイスであって、
    前記細胞が、哺乳類細胞、植物細胞、昆虫細胞、およびそのいずれかの組み合わせからなる群から選択される、デバイス。
  32. 請求項３１に記載のデバイスであって、
    前記哺乳類細胞が、ヒト細胞を含む、デバイス。
  33. 請求項３１に記載のデバイスであって、
    前記哺乳類細胞が、動物細胞を含む、デバイス。
  34. 請求項２９〜３３のいずれか一項に記載のデバイスであって、
    前記細胞が、予め決められた生理的エンドポイントに対応する少なくとも１つの特徴を見せる、デバイス。
  35. 請求項３４に記載のデバイスであって、
    前記予め決められた生理的エンドポイントが、成熟状態、分化状態、前駆体状態、重層状態、偽重層状態、コンフルエント状態、炎症状態、感染状態、刺激状態、活性化状態、阻害状態、正常な健常状態、疾患特異的な状態、成長状態、遊走性状態、変態状態、またはそのいずれかの組み合わせからなる群から選択される、デバイス。
  36. 請求項３５に記載のデバイスであって、
    前記疾患特異的な状態が、疾患、障害、または傷害の特定のステージである、デバイス。
  37. 請求項３５または３６に記載のデバイスであって、
    前記疾患特異的な状態が、癌状態を含む、デバイス。
  38. 請求項３５〜３７のいずれか一項に記載のデバイスであって、
    前記疾患特異的な状態が、炎症性腸疾患、クローン病、潰瘍性大腸炎、セリアック病、血管形成異常、虫垂炎、腸捻転、慢性機能性腹痛、セリアック病、大腸癌、憩室症、子宮内膜症、エンテロウイルス、胃腸炎、ヒルシュスプルング病、回腸炎、過敏性腸症候群、ポリープ、偽膜性大腸炎、またはそのいずれかの組み合わせからなる群から選択される腸疾患に関連する、デバイス。
  39. 請求項３５〜３７のいずれか一項に記載のデバイスであって、
    前記疾患特異的な状態が、喘息、慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ）、肺高血圧、放射線傷害、嚢胞性線維症、またはそのいずれかの組み合わせからなる群から選択される肺疾患に関連する、デバイス。
  40. 請求項３５〜３７のいずれか一項に記載のデバイスであって、
    前記疾患特異的な状態が、空気媒介性疾患に関連する、デバイス。
  41. 請求項４０に記載のデバイスであって、
    前記空気媒介性疾患が、細菌感染またはウイルス感染である、デバイス。
  42. 請求項２９〜４１のいずれか一項に記載のデバイスであって、
    前記細胞の少なくとも一部分が、上皮細胞、内皮細胞、線維芽細胞、平滑筋細胞、基底細胞、繊毛細胞、粘液分泌細胞、円柱細胞、杯細胞、筋細胞、免疫細胞、神経細胞、造血細胞、肺細胞（例えば、肺胞上皮細胞、気道細胞、気管支細胞、気管細胞、および鼻腔上皮細胞）、消化管細胞、腸細胞、脳細胞、幹細胞、皮膚細胞、肝臓細胞、心臓細胞、脾臓細胞、腎臓細胞、膵臓細胞、生殖細胞、血球（例えば、白血球、赤血球、血小板、ならびに造血幹細胞および前駆細胞を包含する）、およびそのいずれかの組み合わせからなる群から選択される、デバイス。
  43. 請求項２９〜４２のいずれか一項に記載のデバイスであって、
    前記細胞が、組織の少なくとも一部分の細胞挙動を模倣するインビトロモデルを作り出すように選択される、デバイス。
  44. 請求項４３に記載のデバイスであって、
    前記組織が、気道、気管支、消化管、皮膚、脈絡叢、肝臓、心臓、および胃腸管からなる群から選択される、デバイス。
  45. 請求項２９〜４４のいずれか一項に記載のデバイスであって、
    前記メソチャネルに面する前記膜の第１の表面が、低剪断および／または重層組織を形成するための空間を要求する組織特異的な細胞を含む、デバイス。
  46. 請求項４５に記載のデバイスであって、
    前記組織特異的な細胞が、上皮細胞、基底細胞、繊毛細胞、円柱細胞、杯細胞、線維芽細胞、平滑筋細胞、またはそのいずれかの組み合わせを含む、デバイス。
  47. 請求項４５または４６に記載のデバイスであって、
    気道の少なくとも一部分の細胞挙動を模倣する前記インビトロモデルを作り出すように選択される前記組織特異的な細胞が、気道上皮細胞、気管支上皮細胞、鼻腔上皮細胞、またはそのいずれかの組み合わせを含む、デバイス。
  48. 請求項２９〜４７のいずれか一項に記載のデバイスであって、
    前記マイクロチャネルに面する前記膜の第２の表面が、血管関連細胞を含む、デバイス。
  49. 請求項４８に記載のデバイスであって、
    前記血管関連細胞が、内皮細胞、線維芽細胞、平滑筋細胞、周皮細胞、またはそのいずれかの組み合わせを含む、デバイス。
  50. 請求項１〜４９のいずれか一項に記載のデバイスであって、
    前記膜が、少なくとも１つの細胞接着因子によってコーティングされる、デバイス。
  51. 請求項５０に記載のデバイスであって、
    前記少なくとも１つの細胞接着因子が、細胞外マトリックス分子を含む、デバイス。
  52. 請求項５１に記載のデバイスであって、
    前記細胞外マトリックス分子が、糖蛋白質、コラーゲン、フィブロネクチン、ラミニン、ビトロネクチン、エラスチン、フィブリン、プロテオグリカン、ヘパリン硫酸、コンドロイチン硫酸、硫酸ケラタン、ヒアルロン酸、フィブロイン、キトサン、またはそのいずれかの組み合わせを含む、デバイス。
  53. 請求項１〜５２のいずれか一項に記載のデバイスであって、
    前記デバイスのボディおよび／または前記膜が、生体適合性ポリマを含む、デバイス。
  54. 請求項５３に記載のデバイスであって、
    前記生体適合性ポリマが、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリウレタン、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレン（ＳＥＢＳ）、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリプロピレン、ケイ素、またはそのいずれかの組み合わせを含む、デバイス。
  55. 請求項１〜５４のいずれか一項に記載のデバイスであって、
    前記デバイスのボディおよび／または前記膜が、細胞外マトリックスポリマ、ゲル、または足場を含む、デバイス。
  56. 請求項１〜５５のいずれか一項に記載のデバイスであって、
    前記主チャネルが、直線である、デバイス。
  57. 請求項１〜５５のいずれか一項に記載のデバイスであって、
    前記主チャネルが、非直線部分を含む、デバイス。
  58. 請求項１〜５７のいずれか一項に記載のデバイスであって、
    前記第１のおよび／または第２の操作用チャネルの高さが、前記主チャネルの高さよりも大きい、デバイス。
  59. 請求項１〜５７のいずれか一項に記載のデバイスであって、
    前記第１のおよび／または第２の操作用チャネルの高さが、前記主チャネルの高さと実質的に同じかまたはそれよりも小さい、デバイス。
  60. 方法であって、
    少なくとも１つのデバイスを提供することであって、前記デバイスが、
    ａ．その中に主チャネルを含むボディ、および、
    ｂ．前記主チャネル内において平面に沿って位置する少なくとも部分的に多孔質の膜、
    を含み、前記膜が、前記主チャネルを区分して第１のサブチャネルおよび第２のサブチャネルを形成するように構成され、少なくとも前記第１のサブチャネルは、重層構造を形成するために十分な高さを有することと、
    前記第１のサブチャネルに面する前記膜の第１の表面上に組織特異的な細胞を播種することと、
    気液界面において前記第１の表面上で前記組織特異的な細胞を培養することと、
    を含む方法。
  61. 請求項６０に記載の方法であって、
    前記気液界面における前記培養に先立って、前記組織特異的な細胞が、第１の細胞単層を形成する、方法。
  62. 請求項６１に記載の方法であって、
    前記第１の細胞単層が、前記第１のサブチャネル内の第１の液体状流体中において液面下の前記組織特異的な細胞を培養することによって形成される、方法。
  63. 請求項６０〜６２のいずれか一項に記載の方法であって、
    気体状流体を前記第１のサブチャネル内に、第２の液体状流体を前記第２のサブチャネル内に有することによって、前記気液界面が形成される、方法。
  64. 請求項６３に記載の方法であって、
    前記第２の液体状流体が、少なくとも１つの分化誘導因子を含む、方法。
  65. 請求項６０〜６４のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記組織特異的な細胞の少なくとも一部分が、或る期間の前記気液界面における前記培養によって予め決められた生理的エンドポイントに達する、方法。
  66. 請求項６０〜６５のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記第１のサブチャネルをとおして気体状流体を流すことをさらに含む、方法。
  67. 請求項６０〜６６のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記第２のサブチャネルをとおして液体状流体を流すことをさらに含む、方法。
  68. 方法であって、
    少なくとも１つのデバイスを提供することであって、前記デバイスが、
    ａ．その中に主チャネルを含むボディ、および、
    ｂ．前記主チャネル内において平面に沿って位置する少なくとも部分的に多孔質の膜であって、前記膜は、前記主チャネルを区分して第１のサブチャネルおよび第２のサブチャネルを形成するように構成され、少なくとも前記第１のサブチャネルは、重層構造を形成するために十分な高さを有する、少なくとも部分的に多孔質の膜、および、
    ｃ．前記第１のサブチャネルに面する前記膜の第１の表面上の組織特異的な細胞であって、前記細胞は、予め決められた生理的エンドポイントに対応する少なくとも１つの特徴を見せる、組織特異的な細胞、
    を含むことと、
    前記第１のサブチャネルをとおして気体状流体を流すことと、
    前記第２のサブチャネルをとおして液体状流体を流すことと、
    を含む方法。
  69. 請求項６６〜６８のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記気体状流体が、定常流れに維持される、方法。
  70. 請求項６６〜６８のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記気体状流体が、前記第１のサブチャネルをとおして連続的に流される、方法。
  71. 請求項６６〜６８のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記気体状流体が、前記第１のサブチャネルをとおして間歇的にまたは周期的に流される、方法。
  72. 請求項６０〜７１のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記第１のサブチャネルの高さが、細胞成長および／または細胞分化にとって適切な空気剪断ストレスを提供するように構成される、方法。
  73. 請求項７２に記載の方法であって、
    前記空気剪断ストレスが、約０．０１ダイン／ｃｍ２から約２０００ダイン／ｃｍ２の範囲である、方法。
  74. 請求項６０〜７３のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記第１のサブチャネルの高さが、少なくとも約１００μｍまたは約５００μｍである、方法。
  75. 請求項６０〜７４のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記第２のサブチャネルが、前記第１のサブチャネルの高さよりも実質的に小さい高さを有する、方法。
  76. 請求項７５に記載の方法であって、
    前記第２のサブチャネルが、約２０μｍから約１ｍｍまたは約５０μｍから約２００μｍの高さを有する、方法。
  77. 請求項６０〜７６のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記第２のサブチャネルの高さが、前記第１のサブチャネルの高さと実質的に同じである、方法。
  78. 請求項６０〜７７のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記予め決められた生理的エンドポイントが、成熟状態、分化状態、前駆体状態、重層状態、偽重層状態、コンフルエント状態、炎症状態、感染状態、刺激状態、活性化状態、阻害状態、正常な健常状態、疾患特異的な状態、成長状態、遊走性状態、変態状態、またはそのいずれかの組み合わせからなる群から選択される、方法。
  79. 請求項７８に記載の方法であって、
    前記疾患特異的な状態が、疾患、障害、または傷害の特定のステージである、方法。
  80. 請求項７８または７９に記載の方法であって、
    前記疾患特異的な状態が、癌状態を含む、方法。
  81. 請求項６５〜８０のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記予め決められた生理的エンドポイントが、前記予め決められた生理的エンドポイントに関連する少なくとも１つのマーカの存在によって検出される、方法。
  82. 請求項６０〜８１のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記組織特異的な細胞が、哺乳類細胞を含む、方法。
  83. 請求項６０〜８２のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記組織特異的な細胞が、気道、気管支、および／または鼻腔上皮細胞を含む、方法。
  84. 請求項８３に記載の方法であって、
    前記気道または気管支上皮細胞の前記生理的エンドポイントが、前記気道または気管支上皮細胞から繊毛細胞および／または粘液分泌細胞への分化である、方法。
  85. 請求項８４に記載の方法であって、
    前記分化状態が、繊毛関連マーカ、杯細胞関連マーカ、およびタイトジャンクション関連マーカの少なくとも１つの存在によって検出される、方法。
  86. 請求項６０〜８５のいずれか一項に記載の方法であって、
    レチノイン酸によって分化した細胞を処理することをさらに含む、方法。
  87. 請求項８６に記載の方法であって、
    前記レチノイン酸が、扁平表現型を反転させる、方法。
  88. 請求項６０〜８７のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記第１のサブチャネルの１つの末端が、気体流調節デバイスと係合するように適応している、方法。
  89. 請求項８８に記載の方法であって、
    気体流調節デバイスが、前記気体状流体の片方向および／または両方向の流れを提供するように適応している、方法。
  90. 請求項８９に記載の方法であって、
    前記気体状流体の前記両方向の流れが、呼吸の間の空気流をシミュレーションする、方法。
  91. 請求項８８〜９０のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記気体流調節デバイスが、フレキシブルな振動板によって囲い込まれた少なくとも１つの末端を有する気体受容チャンバを含む、デバイス。
  92. 請求項９１に記載の方法であって、
    前記フレキシブルな振動板が動くと前記気体受容チャンバが膨張または収縮する、方法。
  93. 請求項６０〜９２のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記第１のサブチャネルをとおして流れる粒子の繊毛クリアランスを決定することをさらに含む、方法。
  94. 請求項６０〜９３のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記第２のサブチャネルに面する前記膜の第２の表面上に第２の細胞層を形成することをさらに含む、方法。
  95. 請求項９４に記載の方法であって、
    前記第２の細胞層が、血管関連細胞を含む、方法。
  96. 請求項９５に記載の方法であって、
    前記血管関連細胞が、内皮細胞、線維芽細胞、平滑筋細胞、周皮細胞、またはそのいずれかの組み合わせを含む、方法。
  97. 請求項６０〜９６のいずれか一項に記載の方法であって、
    （例えば、正常な健常状態または疾患特異的な状態における）組織特異的な条件を模倣するインビトロモデルを前記主チャネル内に作り出すことをさらに含む、方法。
  98. 請求項９７に記載の方法であって、
    前記組織特異的な細胞が、疾患特異的な状態における前記組織特異的な条件に関連する少なくとも１つの特徴を見せるように適応している、方法。
  99. 請求項９８に記載の方法であって、
    前記組織特異的な細胞が、少なくとも１対象から単離された疾患特異的な細胞である、方法。
  100. 請求項９８に記載の方法であって、
    前記組織特異的な細胞が、条件誘導因子と接触させられ、これが、前記疾患特異的な状態に関連する少なくとも１つの特徴を前記組織特異的な細胞が獲得することを誘導できる、方法。
  101. 請求項１００に記載の方法であって、
    前記条件誘導因子が、物理的因子または環境刺激（例えば、放射線または空気流のリズム）を含む、方法。
  102. 請求項１００または１０１に記載の方法であって、
    前記条件誘導因子が、化学的および／または生物学的因子（例えば、病原体および／または炎症促進性因子）を含む、方法。
  103. 請求項９７〜１０２のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記組織特異的な条件が、肺疾患、障害、および／もしくは傷害、または空気媒介性疾患に関連する、方法。
  104. 請求項１０３に記載の方法であって、
    前記肺疾患、障害、および／もしくは傷害または前記空気媒介性疾患に関連する前記条件を模倣するように選択される前記組織特異的な細胞が、気道上皮細胞、気管支上皮細胞、および／または鼻腔上皮細胞を含む、方法。
  105. 請求項１０３または１０４に記載の方法であって、
    前記肺疾患、障害、および／または傷害が、急性肺傷害、慢性肺障害、肺感染、および肺癌からなる群から選択される、方法。
  106. 請求項１０３に記載の方法であって、
    前記空気媒介性疾患が、ウイルス感染または細菌感染である、方法。
  107. 請求項１０５に記載の方法であって、
    前記急性肺傷害が、細菌性敗血症、出血性ショック、吸入毒性、薬物誘発性肺傷害（例えば、ブレオマイシン誘発性肺傷害）、またはそのいずれかの組み合わせからもたらされる肺傷害を含む、方法。
  108. 請求項１０５に記載の方法であって、
    前記慢性肺障害が、慢性閉塞性肺障害（ＣＯＰＤ）、喘息、嚢胞性線維症、線維化状態、サルコイドーシス、特発性肺線維症を含む、方法。
  109. 請求項９７〜１０２のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記組織特異的な条件が、腸疾患または障害に関連する、方法。
  110. 請求項１０９に記載の方法であって、
    前記腸疾患または障害に関連する前記条件を模倣するように選択される前記組織特異的な細胞が、腸細胞、結腸細胞、虫垂細胞、回腸細胞、盲腸細胞、十二指腸細胞、空腸細胞、またはそのいずれかの組み合わせを含む、方法。
  111. 請求項１０９または１１０に記載の方法であって、
    前記腸疾患、障害、および／または傷害が、炎症性腸疾患、クローン病、潰瘍性大腸炎、セリアック病、血管形成異常、虫垂炎、腸捻転、慢性機能性腹痛、セリアック病、大腸癌、憩室症、子宮内膜症、エンテロウイルス、胃腸炎、ヒルシュスプルング病、回腸炎、過敏性腸症候群、ポリープ、偽膜性大腸炎、またはそのいずれかの組み合わせからなる群から選択される、方法。
  112. 請求項６０〜１１１のいずれか一項に記載の方法であって、
    試験因子と前記組織特異的な細胞を接触させることをさらに含む、方法。
  113. 請求項１１２に記載の方法であって、
    前記組織特異的な細胞が、前記第１のサブチャネルをとおしてのエアロゾルまたは液体としての送達によっておよび／または前記第２のサブチャネルからの拡散によって前記試験因子と接触させられる、方法。
  114. 請求項１１２または１１３に記載の方法であって、
    前記試験因子が、蛋白質、ペプチド、核酸、抗原、ナノ粒子、環境毒素または汚染物質、煙草の煙、化粧品に用いられるケミカルまたは粒子、低分子、薬物または薬物候補、ワクチンまたはワクチン候補、エアロゾル、炎症促進性因子、天然に存在する粒子（花粉を包含する）、化学兵器、ウイルス、細菌、単細胞生物、サイトカイン、およびそのいずれかの組み合わせからなる群から選択される、方法。
  115. 請求項１１２〜１１４のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記細胞に及ぼす前記試験因子の効果の薬物動態、薬力学、または薬物動態−薬力学（ＰＫ−ＰＤ）アッセイおよび／または分析を行うことをさらに含み、それによって、前記細胞に及ぼす前記試験因子のインビトロの薬物動態および／または薬力学効果を決定する、方法。
  116. 請求項１１２〜１１５のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記試験因子に対する前記膜の少なくとも１つの側の前記細胞の応答、前記第１のサブチャネルを出る前記気体状流体、前記第２のサブチャネルを出る前記液体状流体、またはそのいずれかの組み合わせを測定することをさらに含む、方法。
  117. 請求項１１６に記載の方法であって、
    前記細胞の前記応答を測定することが、前記第２のサブチャネルをとおして流れる免疫細胞の接着を測定すること、細胞標識、免疫染色、光学もしくは顕微鏡イメージング（例えば、免疫蛍光顕微鏡法および／または走査電子顕微鏡法）、遺伝子発現分析、サイトカイン／ケモカイン分泌分析、代謝物分析、ポリメラーゼ連鎖反応、免疫アッセイ、ＥＬＩＳＡ、遺伝子アレイ、またはそのいずれかの組み合わせを含む、方法。
  118. 請求項１１６または１１７に記載の方法であって、
    前記細胞の前記応答、または前記試験因子に対する曝露後に前記デバイス内の流体中に存在するかもしくは前記デバイスからのアウトプット流体中に存在する少なくとも１つの構成要素の測定が、前記細胞に及ぼす前記試験因子の効果を決定する、方法。
  119. 請求項１１８に記載の方法であって、
    前記効果が、繊毛クリアランス、細胞生存率、細胞層の透過性、細胞形態、蛋白質発現、遺伝子発現、細胞接着、免疫細胞の接着性、細胞分化、サイトカインもしくはケモカイン産生、炎症、またはそのいずれかの組み合わせを含む、方法。
  120. 請求項１１６または１１７に記載の方法であって、
    前記細胞の前記応答、または前記試験因子に対する曝露後に前記デバイス内の流体中に存在するかもしくは前記デバイスからのアウトプット流体中に存在する少なくとも１つの構成要素の測定が、前記試験因子の有効性を決定する、方法。
  121. 請求項１１６または１１７に記載の方法であって、
    前記細胞の前記応答、または前記試験因子に対する曝露後に前記デバイス内の流体中に存在するかもしくは前記デバイスからのアウトプット流体中に存在する少なくとも１つの構成要素の測定が、前記試験因子の毒性を決定する、方法。
  122. 請求項１１６または１１７に記載の方法であって、
    前記細胞の前記応答、または前記試験因子に対する曝露後に前記デバイス内の流体中に存在するかもしくは前記デバイスからのアウトプット流体中に存在する少なくとも１つの構成要素の測定が、前記試験因子の有効性または毒性の機序を決定する、方法。
  123. 請求項１１６または１１７に記載の方法であって、
    前記細胞の前記応答、または前記試験因子に対する曝露後に前記デバイス内の流体中に存在するかもしくは前記デバイスからのアウトプット流体中に存在する少なくとも１つの構成要素の測定が、物理的−化学的、薬物動態、または薬力学パラメータを決定する、方法。
  124. 請求項１１２〜１２３のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記組織特異的な細胞が条件特異的であるように適応しているときに、前記試験因子の前記効果の前記決定が、前記条件の処置のための治療薬を同定する、方法。
  125. 請求項１１２〜１２３のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記組織特異的な細胞が患者特異的であるときに、前記試験因子の前記効果の前記決定が、対象のための個別化された処置を同定する、方法。
  126. 請求項１１２〜１２３のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記組織特異的な細胞が患者集団特異的であるときに、前記試験因子の前記効果の前記決定が、その患者亜集団のために指定される処置を同定する、方法。
  127. 請求項６０〜１２６のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記第２のサブチャネルをとおして免疫細胞を流すことをさらに含む、方法。
  128. 請求項１２７に記載の方法であって、
    前記第１のサブチャネル内の前記組織特異的な細胞および前記第２のサブチャネル内を流れる前記免疫細胞が、インビトロの粘膜免疫モデルを形成する、方法。
  129. 請求項１２８に記載の方法であって、
    前記粘膜免疫モデルが、ワクチンの有効性または免疫原性を決定するように適応している、方法。
  130. 請求項１２７〜１２９のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記免疫細胞の応答を測定することをさらに含む、方法。
  131. 請求項１３０に記載の方法であって、
    前記免疫細胞の前記応答が、経上皮遊走、成熟、活性化、殺細胞、および／または流入を含む、方法。
  132. 請求項６０〜１３１のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記少なくとも１つのデバイスを第２のデバイスに接続することをさらに含み、前記第２のデバイスは、
    その中に第２の主チャネルを含む第２のボディ、および、
    第２の平面に沿って前記第２の主チャネル内に位置する第２の膜であって、前記第２の膜は、前記第２の主チャネルを区分して第１のサブチャネルおよび第２のサブチャネルを形成するように構成され、少なくとも前記第１のサブチャネルは、重層構造を形成するために十分な高さを有する、第２の膜、および、
    前記第１のサブチャネルに面する前記第２の膜の第１の表面上の第２の組織特異的な細胞であって、前記第２の組織特異的な細胞は、第２の予め決められた生理的エンドポイントに対応する少なくとも１つの特徴を見せる、第２の組織特異的な細胞、
    を含む、方法。
  133. 請求項１３２に記載の方法であって、
    空気流を前記少なくとも１つのデバイスの前記第１のサブチャネルから前記第２のデバイスの前記第１のサブチャネルに導くことをさらに含む、方法。
  134. 請求項１３２または１３３に記載の方法であって、
    前記少なくとも１つのデバイス内の前記組織特異的な細胞が、病原体感染細胞を含み、前記第２のデバイス内の前記第２の組織特異的な細胞が、正常な健常細胞である、方法。
  135. 請求項１３２〜１３４のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記空気流の曝露後に、前記病原体感染細胞の応答を測定することをさらに含む、方法。
  136. 請求項１３２〜１３５のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記少なくとも１つのデバイスの前記第１のサブチャネルからの前記空気流の曝露後に、前記正常な健常細胞の応答を測定することをさらに含む、方法。
  137. 請求項１３６に記載の方法であって、
    前記正常な健常細胞の測定された応答が、空気媒介性病原体の伝播性を決定する、方法。
  138. 請求項６０〜１３７のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記膜が、リジッドである、方法。
  139. 請求項６０〜１３７のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記膜が、少なくとも部分的にフレキシブルである、方法。
  140. 請求項６０〜１３９のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記主チャネル内において動くかまたは変形するように前記膜を機械的に調節することをさらに含む、方法。
  141. 請求項１４０に記載の方法であって、
    前記膜の前記機械的調節が、生理的な歪みをシミュレーションする、方法。
  142. 請求項１４１に記載の方法であって、
    前記シミュレーションされた生理的な歪みが、呼吸、蠕動、または心臓鼓動に関連する運動によって生ずる前記歪みと実質的に同じである、方法。
  143. 請求項１４０〜１４２のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記膜が、ニューマチックな機序によって機械的に調節される、方法。
  144. 請求項１４３に記載の方法であって、
    前記デバイスが、第１のチャネル壁によって前記第２のサブチャネルおよび前記第１のサブチャネルから分離された第１の操作用チャネルをさらに含み、
    前記膜の第１の縁が、前記第１のチャネル壁に固定され、前記膜の第２の縁が、前記主チャネルの反対の壁に固定され、
    前記第１の操作用チャネルが、前記主チャネルの高さよりも小さい第１の高さを有する、
    方法。
  145. 請求項１４４に記載の方法であって、
    前記デバイスが、第２のチャネル壁によって前記第２のサブチャネルおよび前記第１のサブチャネルから分離された第２の操作用チャネルをさらに含み、
    前記膜の前記第２の縁が、前記第２のチャネル壁に固定され、
    前記第２の操作用チャネルが、前記主チャネルの高さよりも小さい第２の高さを有する、
    方法。
  146. 請求項１４４または１４５に記載の方法であって、
    前記第１の操作用チャネルと前記主チャネルとの間に第１の圧力差を加えて、前記膜が前記主チャネル内において前記平面に沿って引き伸ばされるかまたは引き戻されることを引き起こすことをさらに含む、方法。
  147. 請求項１４５〜１４６のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記第２の操作用チャネルと前記主チャネルとの間に第２の圧力差を加えて、前記膜が前記主チャネル内において前記平面に沿って引き伸ばされるかまたは引き戻されることを引き起こすことをさらに含む、方法。
  148. 請求項１４６または１４７に記載の方法であって、
    前記第１のまたは第２の圧力差を加えることが、前記第１の操作用チャネルまたは前記第２の操作用チャネル内に周期的な圧力を加えることを含み、その結果、前記第１のチャネル壁に固定された前記膜の前記第１の縁および／または前記第２のチャネル壁に固定された前記膜の前記第２の縁が、前記主チャネル内において前記平面に沿って引き伸ばされるかまたは引き戻される、方法。
  149. 請求項６０〜１４８に記載の方法であって、
    前記第２のサブチャネル内の前記液体状流体が、細胞培養培地および／または生体液を含む、方法。
  150. 請求項１４９に記載の方法であって、
    前記生体液が、血液を含む、方法。
  151. マイクロ構造およびメソ構造を含むマイクロ流体デバイスを作る方法であって、
    前記メソ構造の寸法が、前記マイクロ構造の寸法よりも実質的に大きく、前記方法が、
    前記マイクロ構造の突出したフィーチャを有する半導体ウェーハモールドをフォトリソグラフィによって生成することと、
    前記メソ構造の突出したフィーチャを有する熱可塑性モールドをステレオリソグラフィによって生成することと、
    を含む、方法。
  152. 請求項１５１に記載の方法であって、
    前記メソ構造および前記マイクロ構造の前記寸法が、少なくとも２の係数によって異なる、方法。
  153. 請求項１５１または１５２に記載の方法であって、
    前記半導体ウェーハモールドへのキャストによって前記マイクロ構造を形成することをさらに含む、方法。
  154. 請求項１５１〜１５３のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記熱可塑性モールドへのキャストによって前記メソ構造を形成することをさらに含む、方法。
  155. 請求項１５４に記載の方法であって、
    前記形成されたメソ構造が、平滑な表面仕上げを有する、方法。
  156. 請求項１５５に記載の方法であって、
    前記メソ構造の前記平滑な表面仕上げが、前記マイクロ構造への接合をたやすくする、方法。
  157. 請求項１５１〜１５６のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記メソ構造が、第１の基板の下側表面に配設されたメソチャネルである、方法。
  158. 請求項１５１〜１５７のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記マイクロ構造が、第２の基板の上側表面に配設されたマイクロチャネルである、方法。
  159. 請求項１５７または１５８に記載の方法であって、
    少なくとも部分的に多孔質の膜を前記マイクロチャネルの前記上側表面と前記メソチャネルの前記下側表面との間に置くことと、
    前記膜と前記第１の基板および前記第２の基板との間に流体シールを形成し、それによって、その中に主チャネルを有する前記デバイスのボディを形成することと、
    をさらに含み、
    前記主チャネルが、前記膜によって分離された前記マイクロチャネルおよび前記メソチャネルを含む、
    方法。
  160. 請求項１５９に記載の方法であって、
    前記流体シールを形成することが、前記膜と前記第１の基板および前記第２の基板との間に化学結合を形成することを含む、方法。
  161. 請求項１６０に記載の方法であって、
    接着性の化学的コーティングを用いることによって前記化学結合が形成されて、第１の基板の前記下側表面および前記第２の基板の前記上側表面に前記膜を共有結合的に接合する、方法。
  162. 請求項１６１に記載の方法であって、
    前記接着性の化学的コーティングが、（３−アミノプロピル）トリエトキシシラン（ＡＰＴＥＳ）を含む、方法。
  163. 請求項１５９〜１６２のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記膜が検査のために前記デバイスから取り外されることができるように、前記流体シールが可逆的である、方法。
  164. 請求項１６３に記載の方法であって、
    前記流体シールを形成することが、前記膜を前記第１の基板と前記第２の基板との間にクランプすることを含む、方法。
  165. 請求項１５９〜１６４に記載の方法であって、
    前記流体シールを形成することが、前記第１の基板の前記上側表面と前記第２の基板の前記下側表面との間にプラズマ接合を形成することを含む、方法。
  166. 請求項１５７〜１６５のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記第１の基板、前記第２の基板、および／または前記膜が、ポリジメチルシロキサン、ポリウレタン、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレン（ＳＥＢＳ）、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリエステル、ケイ素、またはそのいずれかの組み合わせを含む、方法。
  167. ワクチンを開発する方法であって、
    少なくとも１つのデバイスを提供することであって、前記デバイスが、
    ａ．その中に主チャネルを含むボディ、および、
    ｂ．前記主チャネル内において平面に沿って位置する少なくとも部分的に多孔質の膜であって、前記膜は、前記主チャネルを区分して第１のサブチャネルおよび第２のサブチャネルを形成するように構成され、少なくとも前記第１のサブチャネルは、重層構造を形成するために十分な高さを有する、少なくとも部分的に多孔質の膜、および、
    ｃ．前記第１のサブチャネルに面する前記膜の第１の表面上の組織特異的な上皮細胞、
    を含むことと、
    前記第１のサブチャネルをとおして気体状流体を流すことと、
    前記第２のサブチャネルをとおして免疫細胞を含む液体状流体を流すことと、
    ワクチン候補と前記組織特異的な上皮細胞を接触させることと、
    微生物と前記ワクチン処理された組織特異的な上皮細胞を接触させることと、
    前記微生物に対する前記組織特異的な上皮細胞の応答を測定し、それによって、前記微生物に対する前記ワクチン候補の有効性を決定することと、
    を含む、方法。
  168. 請求項１６７に記載の方法であって、
    前記組織特異的な上皮細胞が異なる用量で前記ワクチン候補と接触させられ、それによって、前記微生物に対する前記ワクチン候補の最適な用量を決定する、方法。
  169. 請求項１６７または１６８に記載の方法であって、
    前記免疫細胞の応答を測定することをさらに含む、方法。
  170. 請求項１６９に記載の方法であって、
    前記免疫細胞の前記応答が、経上皮遊走、成熟、活性化、殺細胞、および／または流入を含む、方法。
  171. 請求項６０〜１７０のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記主チャネルが、直線である、方法。
  172. 請求項６０〜１７０のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記主チャネルが、非直線部分を含む、方法。
  173. 請求項１４４〜１４８のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記第１のおよび／または第２の操作用チャネルの高さが、前記主チャネルの高さよりも大きい、方法。
  174. 請求項１４４〜１４８のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記第１のおよび／または第２の操作用チャネルの高さが、前記主チャネルの高さと実質的に同じかまたはそれよりも小さい、方法。
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