出典: 宇文編集部
オリジナルリンク: https://www.nature.com/articles/d41586-019-02263-7
3D 印刷技術の急速な発展により、生体インク (細胞とポリマー材料の組み合わせ) を使用して臓器のような細胞密度の高い組織を直接印刷することがより有望になってきました。生きたインクが生理学的条件下に置かれると、細胞がポリマーマトリックスに機械的な力を及ぼし、インクの形状と機械的特性を動的に変化させます。組織工学のための 3D プリントの開発を進めるには、生きたインクの特性を定量的に理解し、培養後にその形状の変化を予測し、場合によっては制御できるようにする必要があります。
細胞が生成した力による 3D バイオプリント構造要素の定量的特性評価 Morley らは、Nature Communications に論文を発表しました。これは、生体インクとその機械的特性に関するこれまでで最も完全な定量的記述の 1 つです。彼らの研究結果は、印刷された生物学的材料が一連の形態形成段階（印刷された物体の形状を変化させる生物学的プロセス）を経て、最終的に機能的かつ構造的に高度な形状をとることができる 4D バイオプリンティングの基礎を築くものです。
最も広く使用されている 3D プリンターは押し出しベースのデバイスであり、インクがノズルから押し出されて、特定の直径と形状のフィラメントが形成されます。組織エンジニアは、細胞や細胞外マトリックス（ECM、細胞を組織に結合する結合剤）などの軟質物質の混合物を含む微粒子のスラリーを開発し、これを3Dプリント技術で使用できるようにした。グラウトは、結果として生じる構造要素が重力の力によって崩壊するのを防ぎます。実験では、モーリーらは、プリントヘッドが媒体内を移動すると液体になるポリマー微粒子のスラリーに生きたインクのフィラメントを押し出す自由形状印刷技術を使用しました。
生きたインクは、生きた線維芽細胞（動物の結合組織で最も一般的な細胞）と、線維芽細胞が付着して収縮を誘発できるマトリックス材料を提供する普遍的な ECM タンパク質コラーゲン 1 で構成されています。印刷されたフィラメントはさまざまな形状をしており、異なる線維芽細胞とコラーゲン 1 の組成で構成されていました。著者らは、建物の支持フレーム（トラス）の単一の梁に似た、印刷されたティッシュの最も単純な構成要素としてフィラメントを使用しました。
チップ上での多機能ゲルの組み立て Morley らは、細胞がコラーゲン 1 に牽引力を発揮し、マトリックスの構造を再構築するにつれて、印刷後の時間の経過に伴うフィラメント形状の変化を測定しました。フィラメントの太さと長さ、コラーゲン 1 と細胞組成を体系的に変化させることにより、著者らは生体材料フィラメントの機械的特性について包括的な理解を得ました。この研究は単純な形状のフィラメントに限定されていますが、得られたデータは、原理的には、より複雑な形状とパターンのフィラメントを含む特定の組織の変形の機械的モデルを説明するために使用できます。
重要な一連の実験で、著者らは細胞牽引下での 4 種類のフィラメントの挙動を観察しました。これは、フィラメントの材料特性と微粒子スラリーの剛性によって定量的に説明できます (図 1)。剛性が低い微粒子スラリーでは、フィラメントが波状に曲がり、細胞が及ぼす内部応力を軽減することができます。ただし、ペースト材の剛性が高ければ、座屈を防ぐことができます。中程度の硬さのスラリーでは、繊維中のコラーゲン 1 の濃度に応じて、フィラメントは小さな断片に分裂するか、短くなります。著者らは、3D プリンターの制御可能なパラメータがどのような動作が発生するかをどのように決定するかを予測する理論的枠組みを提案しています。
図 1 生体フィラメントの予測可能な変化 Morley らは、3D プリンターを使用して、成長培地に懸濁した小さなポリマー粒子からなるスラリー培養材料に「生体インク」フィラメントを印刷しました。生きたインクは、線維芽細胞と構造タンパク質であるコラーゲン 1 の混合物から作られています。著者らは、スラリーの剛性とインク中のコラーゲン 1 の濃度に応じて、フィラメントが次の 4 つの挙動を示すことを観察しました。 a. 微粒子スラリーの剛性が高い場合、フィラメントの形状は変化しません。 b. スラリーの剛性が低いと、フィラメントが座屈します。 c、d。スラリーの硬さが中程度の場合、コラーゲン 1 の濃度が低いと (c)、長いフィラメントが短いセグメントに分割され、コラーゲン 1 の濃度が高いと (d)、長いフィラメントが短くなります。著者らによるフィラメント挙動の定量分析は、組織工学における 3D 印刷技術の使用の基礎を提供します。
Morley らは、彼らの理論的枠組みが 4D バイオプリンティングのための定量的なエンジニアリングガイドラインを提供すると考えています。たとえば、自発的に形を変えることができる細胞と ECM コンポーネントの配置を印刷して、現在可能なものよりもさらにリアルな腎臓、肺、血管などの組織や臓器の合成表現を作成することが考えられます。
しかし、このビジョンが現実のものとなるまでには課題が残っています。 4D バイオプリンティングを使用して機能組織を設計するには、多数の生きた細胞と ECM コンポーネントをプリンターによって押し出された材料に統合する必要があり、それらはすべて生化学的および機械的な相互作用を引き起こす可能性があります。複数の結合したフィラメントは、相互接続されたトラスのセット内でどのように動作するでしょうか? フィラメントは互いにどのように押したり引っ張ったりするでしょうか?構造が曲がると細胞のダイナミクス自体が変化するのでしょうか、それともより密集するようになるのでしょうか。また、形態形成プロセスを利用してより複雑な物体を設計し、安定した結果を得るにはどうすればよいのか、あるいはこれらのプロセスが、増殖、分化、運動性など、モーリーと同僚がまだ分析していない細胞の挙動に対して堅牢であるかどうかも不明です。
最後に、すべての押し出しベースの印刷技術には空間解像度の問題があることに注意する必要があります。興味深いことに、モーリー氏とその同僚の観察は組織工学の可能な解決策を示唆している。彼らは、フィラメントが特定のパラメータ内で収縮することを発見したのだ。この場合、組織はシュリンキー ディンク (加熱すると縮むが元の形状を維持するおもちゃ) のように機能します。その結果、印刷された組織構造の有効な空間解像度は、印刷されたオブジェクト全体に細胞の牽引力が圧縮効果をもたらすため、プリンターのノズルの直径が許す範囲をはるかに超えることがよくあります。したがって、4D バイオプリンティングの課題は、エンジニアに組織発達のプロセスを明らかにし、それを制御可能な設計オブジェクトとして扱う刺激的な機会を提供します。
参考文献
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