がんにおける3Dプリント繊維構造の重要性と生体材料モデルの設計への影響

出典: EFL Bio3Dプリンティングとバイオ製造

臨床反応の予測を改善する必要性から、生理学的関連性を高めた癌モデルの開発が推進されています。現在、「精密バイオマテリアル」という新しい概念が生まれつつあり、これには、重要な微小環境の特徴を正確に複製することでがんを正確に検出、治療、シミュレートするように設計された、患者を模倣したバイオマテリアルモデルが含まれます。最近の進歩により、組織のような硬さと分子組成を体外で複製することが可能になりましたが、腫瘍細胞外マトリックス (ECM) に見られる 3D 繊維構造を複製する方法は、まだほとんど研究されていません。

英国ノッティンガム大学の JC Ashworth 氏とそのチームは、オーストラリアの Garvan Institute of Medical Research の TR Cox 氏とそのチームと共同で、腫瘍線維構造の既知の役割を要約し、細胞とマトリックスの相互作用、そして最終的には臨床結果への影響を強調しています。この記事では、特定の組織の 3D 繊維構造を in vitro で複製する際の課題を検討し、関連する生体材料製造技術とその利点と限界に焦点を当てます。最後に、腫瘍特異的 ECM を高精度の生体材料モデルにマッピングするための鍵となる可能性のある、イメージングおよび画像分析技術について説明します (コラーゲン I に最適化された方法に焦点を当てます)。研究チームは、材料科学、がん研究、画像分析を組み合わせた学際的なアプローチにより、腫瘍の発達における 3D ファイバー構造の役割が解明され、メカニズム研究や創薬のための次世代の患者模倣モデルが生まれることを期待しています。関連研究は、2024年6月17日にNature reviews cancer誌に「がんにおける3Dファイバー構造の重要性と生体材料モデル設計への影響」と題するレビュー記事として掲載されました。

多くの研究が組織に忠実な剛性を持つ生体材料の設計に焦点を当ててきましたが、癌間質に見られる複雑な 3D 繊維構造を高忠実度のスケーラブルな生体材料モデルで再現することは、未解決の課題のままです。制御された組成を持つモデルは、通常、単一または少数の ECM (細胞外マトリックス) 成分の相対的な割合を変更することに重点を置いていますが、天然組織に見られる特定の繊維パターン、方向、および特徴的なサイズを再現する可能性については、比較的未開拓のままでした。これは、腫瘍内の ECM 構造の大きな異質性によって部分的に妨げられます。このレビューでは、この知識のギャップに対処し、このような組織に忠実な生体材料モデルのための繊維構造の必要性を強調し、その設計と製造に伴う課題について説明し、組織固有の 3D 繊維ネットワークを in vitro で複製するための現在の最先端技術の概要を示します。この記事では、材料科学における新たなイノベーションと高度な顕微鏡検査および画像分析技術を組み合わせた、次世代の精密組織モデルを設計するための学際的なアプローチの必要性を強調しています (図 1)。本書では、「繊維」とは、ECM タンパク質および合成物質で構成されるものを含む、生物学的材料または組織内の細長い構造単位として定義されます。

図1 組織に適合した3D繊維構造を持つ精密生体材料の設計と製造方法 [がんにおける3D繊維構造の役割]

細胞外マトリックス（ECM）は、大まかに間質マトリックスと基底膜の 2 つの成分に分けられます。正常な非疾患組織では、ECM は継続的にリモデリングされますが、がんではこのプロセスが調節不全になり、ECM の沈着と分解に変化が生じます。癌では間質マトリックスと基底膜のリモデリングが観察されます。たとえば、基底膜の喪失により、上皮細胞が間質マトリックスと接触する頂基底極性が破壊されます。

線維組織と患者の転帰との関連を調査する初期の先駆的研究の主な焦点は乳がんでした。間質タンパク質の増加に関連するマンモグラフィ密度は、乳がんの最も強力な独立した危険因子の 1 つであることが長い間認識されてきました。最近、マンモグラフィの密度が高い領域の組織では、非晶質コラーゲンのレベルではなく、長く整列した線維性コラーゲン束の有病率が上昇していることが判明しました。画期的な研究では、ヒト乳がん生検を第 2 高調波イメージング顕微鏡を使用して画像化し、腫瘍境界におけるコラーゲン繊維の存在と配置に基づいて分類し、一連の腫瘍関連コラーゲンシグネチャ (TACS) を定義しました。乳がんのマウスモデルでは、TACS レベルが TACS-1 から TACS-3 に上昇したことは、腫瘍形成の初期段階から後期段階への移行を表し、局所的な細胞指向性浸潤の増加に対応していました。臨床サンプルでは、TACS-3 スコアは、疾患特異的生存率および無病生存率の低さと関連する独立した予後因子でもありました。最近の研究では、腫瘍は長い長さスケールにわたって非常に不均一な構造をしていることが示されています。 TACS スコアの予後価値は、腫瘍境界からより遠位にあるコラーゲン構造の追加カテゴリを考慮することによって改善される可能性があります。

TACS 特有の線維組織に類似した特徴は、膵管腺癌 (PDAC) を含む他の腫瘍でも観察されます。ここでは、浸潤経路を表す TACS-3 のような構造が、初期の前癌病変だけでなく、より進行した病気でも発見されました。 KPC マウスモデルにおける早期癌細胞の拡散の証拠と組み合わせると、TACS スコアリングは標準的な組織学を使用するよりも病気の進行を区別するのに優れている可能性があることが示唆されます。他の腫瘍の種類では、3D コラーゲン配列の他の側面は病気の進行とともに変化しますが、関連する分類はまだ明確ではありません。例えば、卵巣がんでは、コラーゲン繊維は正常組織よりもカールしています（図 2c）が、コラーゲン配列の全体的な変化は明確ではなく、患者間および患者内でも非常に不均一です。基底細胞癌 (BCC) におけるコラーゲン繊維の配列の影響も複雑であり、正常組織や良性病変と比較して BCC 標本では配列が増加しています。逆説的ですが、腫瘍の境界ではなく他のコラーゲン繊維と比較して、高度に整列した線維束は、前述の TACS スコアとは逆に、最も攻撃性の低い BCC サブタイプと関連していました。重要なのは、この研究が、個々のコラーゲン繊維のパラメータ（幅、長さ、角度、真直度など）ではなく、平行に組織化されたコラーゲン束が BCC の有効なマーカーであることを強調していることです。密度と配列に加えて、繊維の特性も多くの場合臨床的に関連しています。たとえば、乳管周囲のコラーゲン繊維の厚さの増加は、PDAC 患者の生存率の低下と関連しています (図 2b)。最近の別の研究では、繊維の「直線性」の増加が非小細胞肺がんの存在を示す潜在的な診断マーカーであることが判明しました。興味深いことに、線維幅が広く、線維配列が低いことも生存率の低下と関連していましたが、これは肺腺癌の場合のみであり、特定の疾患における異なる線維構造の役割を考慮する必要があることを浮き彫りにしています (図 2f)。

図2 異なる起源の癌における繊維構造は様々な結果と相関関係を示す
【3D繊維構造を制御するバイオマテリアル法】

がん研究で使用されるさまざまなポリマー生体材料についてはこれまでにも広く議論されてきましたが、この記事では、生体材料モデルを開発して、組織固有の 3D 繊維構造に関連するがん進行のメカニズムを研究するために適用する方法に焦点を当てています (図 1b および 3)。特定の間質性微細構造が腫瘍の進行をどのように変化させるかについては未だ不明な点が多いため、腫瘍で観察される複雑さ全体を再現するのではなく、少数の間質性パラメータを慎重かつ確実に模倣する還元主義的なアプローチがしばしば採用されます (図 1a)。ただし、明確な質問をするように設計された単純化されたアプローチと、組織の複雑さを正確に再現することとの間には微妙なバランスがあることに注意することが重要です。

ハイドロゲルは、高い水分含有量を特徴とする親水性ポリマーネットワークとして定義されます (図 3)。これらは一般的に天然由来のハイドロゲルと合成ハイドロゲルに分類されます（図3）。マトリゲルは、おそらく天然由来のハイドロゲルの最もよく知られた例であり、腫瘍の成長、浸潤、血管新生のアッセイに広く使用されており、最近では患者由来のオルガノイドの「生きたバイオバンク」を確立するためにも使用されています。マトリゲルは、エンゲルブレス・ホルム・スウォーム (EHS) マウスの腫瘍から抽出された市販のハイドロゲル製品の 1 つであり、基底膜抽出物として知られています。しかし、マトリゲルは動物由来であるため、バッチごとにばらつきがあり、組成が明確に定義されていないため、最近ではより明確に定義された代替品を調査する動きが高まっています。

天然由来のハイドロゲルには、コラーゲン、アルギン酸塩、ゼラチン、ヒアルロン酸も含まれる場合があります。場合によっては、架橋を目的として合成成分または官能基が追加され、その場合、ハイドロゲルは「ハイブリッド材料」と見なされることがあります。同様に、主に合成材料を使用して作られたハイドロゲルは、がん研究において重要な用途があります。特に、先駆的な研究により、マトリゲルの代替としてポリエチレングリコール (PEG) の使用が実証され、マウスおよびヒトの腸オルガノイドの応用が拡大しました。これらの PEG ベースのゲルは、全長 ECM タンパク質、グリカン、または ECM 模倣ペプチド配列を追加することで機能化でき、システムの汎用性がさらに高まります。同様に、自己組織化ペプチドから作られた合成ハイドロゲルは、全長 ECM タンパク質とグリカンで修飾することができます。

3D 癌モデリングにハイドロゲルを使用することは、腫瘍微小環境の主要な特徴を模倣する能力があるため、一般的なアプローチです。これには、他の場所で検討されているように、生理学的に関連する範囲内で剛性や粘弾性などの機械的特性を制御する能力が含まれます。場合によっては、合成システムは、特に機械的に動的になるように設計することもできる PEG ゲルの場合、天然由来のマトリックスと比較して、機械的特性に対する優れた制御を提供できます。この合成システムは、天然由来のハイドロゲルに共通する再現性の問題も回避し、比較的コスト効率の高い生物活性リガンドの組み込みを可能にします。しかし、ネイティブ ECM では、単一のタンパク質上に複数の結合部位が存在する可能性があり、また、スプライスバリアントから生じるものなど、癌組織に見られる代替 ECM アイソフォームが存在する可能性があるとも主張できます。

図3 生体材料製造における繊維構造制御法 [組織特異的モデル設計のガイド]

前のセクションで要約した技術の最終的な目標は、腫瘍微小環境の主要な特徴を再現する 3D モデルを作成することですが、この目標を達成するには、組織固有の繊維構造を詳細に理解する必要があります。さらに、特定の繊維特性は臨床結果と関連しているものの、生体材料を使用して腫瘍繊維構造を完全に再現することは依然として課題となっています。この記事では、腫瘍 ECM を正確にマッピングする可能性のある技術に焦点を当て、組織を模倣した生体材料の設計への移行を促進します (図 1)。

3D プリントされたテンプレートや金型を使用することで、生体材料設計の拡張性と再現性も向上します。たとえば、コラーゲンの配列を制御するためのシンプルだが革新的なアプローチは、3D プリント可能なウェッジを使用して、コラーゲンでコーティングされたカバーガラスを制御された角度に傾け、重力を利用して、結果として得られるコラーゲンマトリックス内で再現可能な配列を生成することです。同様に、研究者らは、特殊な装置を必要とせずに使用できる、氷のテンプレートに適用される温度勾配を製造するためのモジュール式の 3D プリント可能なシステムを開発しました。別の研究では、乳がんのSHG画像からコラーゲン繊維の配向の勾配をパラメータ化し、他の研究室でも使用できるように意図的に再現可能に設計されたマイクロ流体システムを使用してコラーゲンゲルで再現しました。

【概要と展望】

生体材料と 3D 画像特性評価の分野における研究は現在急速に進歩しており、腫瘍繊維構造の正確なモデルが広く利用可能になる段階に入ろうとしています。剛性と ECM 組成が制御されたモデルはすでに利用可能ですが、生物学的に現実的な繊維組織を追加することで、組織に現実的なモデルの設計が強化され、基礎科学と創薬に影響を与えるでしょう。この論文では、将来的には詳細な組織イメージングとファイバーネットワークのパラメータ化を使用して、組織に忠実な構造を持つ高度な生体材料の設計と製造を導き、その後、生体材料構造自体をイメージングして元の組織と相関させることができるようになると示唆しています。 3D 構造制御を可能にするこのような生体材料技術の出現により、癌の発達、薬物反応、そして最終的には患者の転帰における ECM 組織の重要な役割を解明し、機能的にテストし、検証することがまもなく可能になります。さらに、組織特異的な生体材料は治療効果の予測に役立ち、最終的には患者の層別化に役立ち、治療の成功の可能性を高めます。

さらに、これらの先進的な生体材料は、精密医療にも応用できる可能性があります。最近の研究では、乳がんや膵臓がんの患者から採取した患者由来材料の増殖と培養にバイオマテリアルモデルを適用し、ECM の剛性、組成、繊維の配置を制御しています。これらのアプローチは、主に動物由来でない生体材料技術に基づいており、患者由来のオルガノイドを維持および増殖するためのマトリゲルなどの試薬の使用を置き換え、削減し、改善することができます。さらに、組織の組成と構造を組み合わせた分析に基づいて患者固有の生体材料を設計することは、有望なアプローチです。 ECM 構成の空間マッピングのためのラマンおよび質量分析イメージング法の開発と、新しい 3D パターン化生体材料機能化技術を組み合わせることで、高度に進化した精密生体材料における ECM 繊維構造と構成の共同空間制御が可能になる可能性があります。この分野では重要な疑問がまだ解決されていないものの、このような精密生体材料の将来的な応用は、がんの転帰を改善する上で大きな期待が寄せられています。材料科学者、がん研究者、組織画像および分析の専門家からなる学際的なチームの共同作業により、かつては達成不可能であった患者固有の薬物スクリーニング方法という目標が着実に前進しています。

ソース：
https://doi.org/10.1038/s41568-024-00704-8

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