ハーバード大学とMITが血管付き肝臓チップを3Dプリント

この投稿は、Little Soft Bear によって 2017-8-21 14:29 に最後に編集されました。

Antarctic Bear によると、ハーバード大学や MIT を含む世界 7 つの機関の科学者チームが最近、最新の肝臓組織研究を実施しました。科学者たちは、3D バイオプリンティング、マイクロ流体チップ、ハイドロゲルバイオスキャフォールドに関する包括的な知識を組み合わせて、in vitro 肝臓薬物試験を新たなレベルに押し上げました。 3Dプリントされた肝臓チップは、より安全かつ確実に薬物試験に使用できる可能性があり、動物と人間の両方の病気の研究により適しているだろう。この研究はハーバード大学医学部とMITの健康科学技術部門が中心となって行われた。 2015年にニューヨークタイムズが発表したデータによると、5,000種類の新薬成分の組み合わせのうち、何層もの試験を通過して最終的に承認薬となるのはわずか1種類だ。

アリ・カデムホセイニ氏とスー・リョン・シン氏が率いる科学者チームは、ヒト細胞を培養して肝臓チップを開発した。このチップの特徴は、ヒト細胞を使用しているだけでなく、組織細胞に栄養分を届けることができる適合した血管構造を備えていることだ。

まず、ヒト肝細胞（HepG2/C3A）をゲルと組み合わせて組織構造を作りました。藻類インクは肝臓の血管を模して印刷され、その後藻類インクが溶解してゲルの中央に中空の溝が残りました。注射器を使用して、臍帯静脈内皮細胞（HUVEC）を中空のチャネルに注入し、血管の形状を形成しました。血流が導入されると、チャネルは完全な血管新生の特徴を帯びるようになりました。

このマイクロ流体チップはバイオリアクター内に配置され、細胞の成長と増殖のための一定の条件を維持します。実験結果から、「血管のバイオプリントとバイオリアクターとの統合により、より現実に近い肝臓チップを作成し、in vitro と in vivo の薬物試験のギャップを縮めることができる。血管化肝臓チップは、微小循環レベルでの薬物毒性メカニズムの観察と予測に役立つ」ことがわかった。

肝臓臓器チップの商品化の分野では、米国食品医薬品局（FDA）が肝臓チップの試験を開始した。これは人間の臓器の生物学的機能をシミュレートするミニモデルであり、FDA はこれが食品や食中毒に対する体の反応を効果的にモデル化できるかどうかをテストします。こうした実験は、食品添加物など毒性がある可能性のある新しい化合物の承認を申請する際に、製薬会社が動物実験データの代わりにチップデータを使用できるかどうかを FDA が判断するのに役立つ可能性がある。規制当局が動物実験の代替として臓器チップの使用を試みたのは世界初となる。

2017年4月11日、FDA食品安全部門の上級毒物学顧問であるスザンヌ・フィッツパトリック氏は、ブログ投稿でFDAの動きについて発表した。このチップは薬品の検査用に設計されているが、フィッツパトリック氏の研究部門では、サプリメントや化粧品などの製品に対して個々の臓器がどのように反応するかの検査にも使用したいと考えている。また、臓器チップを使用して、食品媒介病原体が特定の臓器にどのような影響を与えるかをテストすることもできます。 FDAの食品安全科学者らはまずヒト肝臓チップを評価し、続いて腎臓、肺、腸のモデルをテストする予定だ。

このチップは、マサチューセッツ州ボストンに本拠を置くバイオテクノロジー企業、エミュレート社によって製造された。このミニ臓器には、足場の上で培養された複数種類のヒト肝細胞が含まれている。血液のような液体が絶えずシステム内を循環し、細胞に栄養素を供給し、代謝老廃物を運び去ります。さらに、免疫システムのコンポーネントをチップに追加して、肝臓の代謝への影響をテストすることもできます。

現在までに、世界中の科学者は研究や薬物試験のために人工血管、軟骨組織、腎臓、肝臓、皮膚、その他の臓器を3Dプリントする分野でさまざまな程度の進歩を遂げてきました。 3D プリントと幹細胞培養技術の組み合わせにより、in vitro テストと in vivo テストの間のギャップが縮まっています。
人間の組織や臓器は何万もの細胞で構成されています。たとえば、心臓は比較的単一の心筋細胞で構成されていますが、腎臓にはより多くの種類の細胞があります。糸球体だけでも、血管内皮細胞、腎被膜壁上皮細胞、腎被膜内臓上皮細胞（足細胞）、およびメサンギウム細胞が存在します。千里の道も一歩から始まる、それは人間の臓器の 3D プリントも例外ではありません。臓器を構成する細胞の種類が何種類であっても、すべて細胞培養から始まる必要があります。
従来の方法で培養された細胞の形態や機能は、人体の細胞のものとまったく同じではありません。生物学的3Dプリント技術の使用により、細胞は事前に設計された形状と細胞間の接続に従って成長することができ、人体の実際の状況に近づき、それによって人体の組織や臓器をシミュレートするという目的を達成します。人工血管、軟骨組織、肝臓組織、腎臓組織など、その核となるのは、特定の種類の細胞の分離（または誘導）と大規模な増殖です。
ハーバード大学とMITが肝臓分野で成し遂げた進歩に加えて、アストン大学が主導し、Axol Bioscience、ハノーバーレーザーセンター、バルセロナ大学、フォトニック科学研究所、KITEイノベーションが共同で参加するMESO-BRAINプロジェクトは、明確で再現性のある3Dスキャフォールド上でヒト人工多能性幹細胞をニューロンに分化させ、人間の脳活動をシミュレートできる人間の神経ネットワークの開発をサポートし、パーキンソン病、アルツハイマー病、脳損傷など多くの脳疾患の理解と治療を改善することを目指しています。 MESO-BRAIN は、薬理学的化合物や毒性化合物が神経ネットワークの活動に及ぼす調節効果をテストするための大規模なヒト細胞ベースのアッセイを可能にすることも期待されています。 3Dスキャフォールドで構築された人工ニューラルネットワークを薬物試験の分野で使用すれば、薬物スクリーニングの効率が向上し、動物実験が削減されます。
プロジェクトチームの研究者らによると、3Dスキャフォールド構造は大脳皮質モジュールに基づいて設計され、ナノスケールの3Dレーザー印刷技術を使用して製造された。スキャフォールドが印刷された後、ナノ電極が統合され、神経ネットワークの電気生理学的分析が実現した。 MESO-BRAIN プロジェクトでは、光学分析に光シート照明に基づく高速体積イメージング技術を使用することも計画しており、これにより 3D ネットワーク全体で細胞レベルの解像度が可能になります。
3D プリント技術は、薬物のテストや移植用の臓器に使用できる可能性に加えて、椎骨、下顎骨、胸郭全体などの骨、耳や気管などの軟骨構造の作成にも効果的に使用されています。 3D 印刷技術の将来的な応用としては、戦場での傷の修復に役立つ現場での 3D バイオプリンティングや、火傷を正常な状態に戻したり、単に美容目的で使用したりできる 3D 印刷された皮膚などがあります。
出典: 3Dサイエンスバレー

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