3Dプリント技術は進化しています: 3D勾配ハイドロゲルは人工細胞ニッチを提供します

帯状組織は軟骨の構造と機能において重要な役割を果たしますが、これまでに開発されたほとんどの組織工学戦略では、均一な生化学的および機械的特性を持つ軟骨の再生しかできません。組織の構造と機能をより良く回復するために、本来の組織を再現できる生体模倣勾配ニッチ特性を備えた人工材料に対する需要が非常に高まっています。この重大な未充足ニーズに対処するため、アンタークティックベアは、スタンフォード大学のエンジニアが最近、軟骨細胞と間葉系幹細胞を 3D ハイドロゲルに充填することに成功したことを知りました。
これは、調整可能な生化学的および物理的特性を持つ 3D 細胞ニッチとして組織勾配ハイドロゲルを迅速に形成する方法であると報告されています。硬度勾配ハイドロゲルに封入すると、軟骨細胞と間葉系幹細胞の両方が、関節軟骨組織の局所組織を模倣したゾーン特異的な反応と細胞外沈着を示しました。ブレビスタチンを使用して細胞の機械感覚を阻害すると、剛性勾配を持つ 3D ハイドロゲルにおける軟骨細胞ゾーンの応答が消失しました。このような組織サイズの勾配ハイドロゲルは、3D 人工細胞ニッチを提供でき、さまざまな組織タイプのリボン状構造または組織界面の印刷が可能になります。

軟骨の構造と機能において小帯構造が重要な役割を果たしているにもかかわらず、これまでに開発されたほとんどの組織工学戦略では、均一な生化学的および機械的特性を持つ軟骨の再生しかできません。軟骨損傷は非常に一般的ですが、軟骨は細胞が弱く、血管がないため、自己治癒能力が限られています。関節軟骨が表層から深層へと移動すると、軟骨の細胞外マトリックス（ECM）の剛性が高まり始め、グリコサミノグリカンなどのECM成分の含有量が増加し、X型コラーゲンなどの肥大軟骨マーカーの含有量が増加します。
勾配信号を持つ生体材料を調製し、細胞ニッチとして機能するために、エレクトロスピニング、モジュラーハイドロゲルシステム、レーザースキャンリソグラフィー、対流拡散、マイクロ流体工学、およびプレファブリケーションされたマイクロスフェアの融合など、さまざまな戦略が開発されてきました。しかし、これらの戦略のほとんどは通常、長い製造プロセスを必要としたり、細胞に優しくない試薬を使用したりするため、均一な方法で細胞をカプセル化できる組織規模の勾配生体材料の製造を保証することはできません。したがって、生態学的位置の勾配が 3 次元での細胞媒介組織形成にどのように影響するかは、ほとんどわかっていません。さらに、最近の研究では、さまざまな細胞運命（細胞増殖や分化を含む）の調節における機械的シグナル（マトリックスの剛性など）の役割について大きな進歩がありましたが、機械的感知を活性化または阻害すると、3D 組織における細胞運命や ECM 形成にどのような影響が及ぶかについてはまだ研究されていません。
出典: 組織工学人工軟骨にバンド状の構造を設計するための 1 つの戦略は、異なる地域バンド固有の表現型を持つ軟骨細胞から異なる層別化を持つ軟骨細胞まで、軟骨細胞をさまざまなパターンに分類することです。連続光重合を使用すると、多層ハイドロゲルをさまざまな領域から分離し、さまざまな層にカプセル化して、生体内のリボン構造をよりよく模倣することができます。もう 1 つの戦略は、単一の細胞源と多層ハイドロゲルを利用して、異なる生化学的および機械的特性を持つマトリックス機能をパターン化することです。

生化学的特徴と物理的特徴の両方が、細胞の運命と組織の形成を媒介する上で重要な役割を果たします。空間的に変化するマトリックス組成と機械的特性を持つ多層スキャフォールド上にカプセル化された間葉系幹細胞 (MSC) とある種の軟骨細胞は、ゾーン特異的な分化を示しました。上記の戦略により、均質なハイドロゲルで得られた人工軟骨のリボンのような構造は改善されましたが、得られた組織は明確な層を示しましたが、天然の軟骨は連続的な勾配で遷移しました。さらに、界面におけるハイドロゲルの硬度の不連続性により、層間界面は脆くなり、機械的応力の影響を受けて簡単に分離してしまうことがよくあります。

多層ハイドロゲルとは対照的に、生体模倣勾配ハイドロゲルは生化学的特性および/または機械的特性が連続的に変化するため、生体内の組織接続性およびバンド形成をより正確に模倣します。骨と軟骨の界面をよりよく模倣し、3D 空間で MSC のゾーン特異的な分化を誘導するために、組換えヒト骨形成タンパク質 2 (rhBMP-2) とインスリン成長因子 (rhIGF-1) のさまざまな勾配を含むマイクロスフィアによって、可溶性因子勾配を含むハイドロゲルが製造されました。

さらに、異なるマトリックス剛性を持つハイドロゲルを調製し、発達のきっかけを使用して領域依存的な MSC 分化を誘導しました。生化学的に特徴付けられたポリアクリルアミド (PAAM) ハイドロゲルは、不溶性マトリックスの勾配 (剛性など) を含むハイドロゲルの調製にも使用されています。さらに、化学的勾配と物理的勾配の両方を含む二重勾配ポリエチレングリコール (PEG) ハイドロゲルを調製するためのマイクロ流体ベースの方法が開発されましたが、このマイクロスケールのプラットフォームは、臨床空間で組織サイズの勾配ハイドロゲルを製造するのには適していません。

細胞は生体内では 3D ニッチ内に存続しますが、組織規模で迅速かつ細胞に優しい方法で 3D 勾配ハイドロゲルに細胞を封入することが困難であったため、これまでの報告は主に 2D 研究に限られていました。したがって、3D の組織勾配ハイドロゲル内で細胞を研究できる生体材料プラットフォームを開発する必要性が依然として残っています。本研究の目的は、小帯構造における軟骨再生を誘導するための 3D 細胞特性として組織サイズの勾配ハイドロゲルを製造するための細胞適合性手法を開発することです。

私たちは、剛性勾配を持つハイドロゲルが、3D 空間でカプセル化された細胞のバンド特有の反応を誘発し、勾配ハイドロゲル内に新たに沈着した組織を通して、本来の関節軟骨のバンド状の構造を模倣するだろうという仮説を立てました。この仮説を検証するために、新生牛の軟骨細胞またはヒトの骨髄間葉系幹細胞を 3D 勾配ハイドロゲルに 7 日間または 21 日間封入しました。機械的アッセイ、定量的遺伝子発現、生化学的アッセイ、および組織学を使用して、勾配ハイドロゲル内で新しく形成された組織を評価しました。

出典：サイエンスブリッジ研究所

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