機能的な気管チップを3Dプリント

韓国の浦項工科大学（POSTECH）とソウル国立大学（SNU）の研究者チームが、機能的な気道チップを3Dプリントした。このチップは、生化学反応のシミュレーションモデルをシミュレートするために使用されます。これらのモデルは、気道を呼吸器疾患にかかりやすくする喘息、慢性肺疾患、副鼻腔炎などの疾患や、その治療効果を研究するために使用されます。

研究チームは、豚の気管から分離された細胞外マトリックス（dECM）と人間の気管から分離された粘膜細胞の混合物を含むバイオインクを作成することで、上皮細胞に接続された血管ネットワークを備えたデバイスを3Dプリントすることができました。「私たちは、dECMバイオインクを使用してワンステップ印刷プロセスで内皮細胞と線維芽細胞を組み立てることで、生体内のような3D血管ネットワークを再現しました」と研究の主著者であるジュ・ヤング・パーク氏は説明した。

「私たちが作った構造は、生物学的な気道上皮細胞と同じ生理学的機能を持っているため、喘息などの病気のモデルとして使うことができます」とパーク氏は述べ、プリントされた気道はダニにさらされると自然なアレルギー反応を示したと説明した。「例えば、血管の存在は、私たちの気道モデルにおいて炎症誘発性サイトカインの過剰産生を引き起こしました。このプロセス（「サイトカインストーム」としても知られています）は、アレルゲン誘発性炎症の生理学的状況における喘息性気道炎症および喘息増悪の際に発生します。」

この研究で使用された6ヘッドの3Dバイオプリンターは非常に先進的です。「プリントヘッドのうち 2 つは、合成ポリマーを注入して気道サポートフレームワークを作成する空気圧システムに接続されています」と Park 氏はコメントしています。「他の 4 つのプリントヘッドは 3 軸の電動ステージ上で動作し、コンピュータープログラムを使用してその動きを制御します。」

人間の呼吸器は非常に複雑で、膜層が互いに相互作用しています。「この複雑な2D/3D構造と気道粘膜の細胞構成を模倣するために、私たちは3D血管プラットフォーム上に2D気道上皮を組み立てました」とパーク氏は説明した。「私たちは、3D細胞印刷によって、内皮細胞と線維芽細胞を含むdECMバイオインクを使用して、自然な3D血管ネットワークを再現しました。実際、dECMバイオインクは、細胞が組織特有の分化と機能を誘導するための、生体内のような天然組織ニッチを提供しました。

複雑さのレベルにもかかわらず、3D バイオプリンティングは、臓器チップを作成する他の方法よりも効率的です。「当社の3D細胞印刷システムにより、気道のプロトタイプを高スループットで簡単に作成でき、さまざまな種類の細胞を気道構造の特定の場所に直接配置して、自然組織での細胞の配置を模倣できます」とパーク氏は語った。「この技術は、さまざまな種類のチップの設計に使用でき、気道以外の臓器のモデルを印刷するのにも使用できます。」

動物や人間を対象にした薬の試験は費用がかかり、時間がかかり、非倫理的であることが多いため、人間の臓器を正確に模倣した臓器チップを生成することは、医学の進歩に必要なステップです。「私たちの新しいモデルは、これらの相互作用を研究し、人間の呼吸器疾患におけるその役割をより深く理解するために使用できます」とパーク氏は述べた。「したがって、3D細胞プリント気道チップは、病態生理学の分析や前臨床段階での薬剤の有効性の試験のための動物モデルの強力な補完として使用できます。」

出典: マイクロ流体

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