カリフォルニア大学デービス校は薬物スクリーニングのために生体外組織を3Dバイオプリントするために天然素材を使用する

2018年12月4日、アンタークティックベアは海外メディアから、カリフォルニア大学サンディエゴ校のバイオエンジニアが、天然素材を使用してリアルな臓器組織モデルを作成するための使いやすい3Dバイオプリンティング技術を開発したことを知りました。概念実証として、カリフォルニア大学サンディエゴ校の 3D プリント血管ネットワークは、乳がんの腫瘍を体外で維持することができ、血管が発達した人間の腸のモデルとなりました。

(左から): バイオエンジニアリングの大学院生 Michael Hu 氏と学部生 Xin Yi (Linda) Lei 氏が、チームの新しい 3D バイオプリンティング技術を使用して、血管が発達した腸のモデルを構築しています。
研究者らは、この研究の目的は体内に移植できる人工臓器を作ることではなく、体外で研究したり薬物スクリーニングに使用したりできる、簡単に成長できる人間の臓器モデルを作ることだと述べた。

「他の3Dプリント技術に必要な専門知識を持たない一般の科学者が、研究対象の人体組織の3Dモデルを簡単に作成できるようにしたい」と、バイオエンジニアリングの博士課程の学生で、この研究の第一著者であるマイケル・フー氏は述べた。「このモデルは、標準的な2Dまたは3D細胞培養よりも進歩しており、現在は動物モデルで行われている新薬の試験において、人間にとってより適切なものとなるだろう。」

生きた血管ネットワークを作成するために、研究者はまずオートデスクを使用して足場をデジタル設計しました。研究者たちは市販の3Dプリンターを使用して、ポリビニルアルコールと呼ばれる水溶性材料から足場を印刷した。次に、天然素材で作った厚いコーティング剤をステントに注ぎ、硬化・固化させてから、ステント素材を内部に流し込み、中空の血管を形成した。次に、研究者らは血管の内側を覆う細胞である内皮細胞でチャネルの内側を覆いました。最後のステップは、細胞を生きたまま成長させるために細胞培養培地を容器に流すことです。

血管は、フィブリノーゲン（血栓に含まれる化合物）や、市販されている実際の哺乳類細胞外マトリックスであるマトリゲルなど、体内に存在する天然物質から作られています。

しかし、適切な材料を見つけることが最大の課題の一つだったと、バイオエンジニアリングの学部生でこの研究の共著者でもあるシン・イー（リンダ）・レイ氏は語った。「できるだけ体内のものに近づけるために、合成素材ではなく天然素材を使いたかったのです。また、当社の3Dプリント技術も使用できる必要がありました。」

マリ研究室のバイオエンジニアリング大学院生、アミ・デイラミーは、3Dプリントの足場を設計した。一連の実験では、研究者らはプリントした血管を使って、乳がんの腫瘍組織を体外で生かした。「私たちの希望は、このシステムを使って、抗がん剤を試験管内で試験するのに使える腫瘍モデルを作ることだ」と、カリフォルニア大学バークレー校の医学教授マイケル・フー氏は語った。研究者たちはマウスから腫瘍の断片を抽出し、その断片の一部を印刷した血管ネットワークに埋め込みました。その他は標準的な 3D 細胞培養で維持されました。 3週間後、血管プリント内に包まれた腫瘍組織は生きたまま残っていました。一方、標準的な3D細胞培養では、ほとんどが死滅していた。

別の一連の実験では、研究者らは血管が発達した腸のモデルを作成した。構造は 2 つのチャネルで構成されています。 1つは直腸管で、腸を模倣するために腸上皮細胞で覆われています。もう一つは、腸の周りを巡る血管（内層細胞）です。目標は、血管のネットワークに囲まれた腸を再現することです。次に、各チャネルにその細胞に最適化された培養培地が提供されます。 2週間以内に、より現実的な形が現れ始めます。例えば、腸では絨毛が生え始めています。絨毛とは腸壁の内側にある小さな指のような突起です。

「この戦略により、生体外で複雑かつ長寿命のシステムを作り始めることができる。将来的には、現在行われているような動物を使ったシステム作りに代わる手段となるかもしれない」とマリ氏は語った。

「これは、異なる種類の細胞を一緒に組織化できることを示す概念実証であり、生体内での多臓器相互作用を模倣したい場合に重要です。1 回の印刷で、それぞれ異なる種類の細胞を生かし続ける 2 つの異なる局所環境を作成し、それらを相互作用できるほど近くに配置できます」と Hu 氏は述べました。

この研究は最近、「Advanced Healthcare Materials」誌に掲載されました。今後の研究では、印刷された血管を最適化し、生体内をより忠実に模倣した血管化腫瘍モデルの開発に重点が置かれる予定です。

原著論文: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adhm.201800845

出典: 3ders

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