「Cell」レビュー: 生物学者にとっての強力な助っ人、生物学的 3D プリント

出典: EFL Bio3Dプリンティングとバイオ製造

バイオ 3D プリンティングは、生物組織を人工的に構築することで新しい組織構造を探索し、生物学の基本的な理解を完全に変えることができる新興技術です。バイオ 3D プリンティング技術は、組織の修復や薬物スクリーニングに使用されるだけでなく、細胞の形態や細胞相互作用の調査においても大きな応用価値を持っています。ペンシルバニア大学のジェイソン・A・バーディック教授は、Cell誌に「生物学者のためのバイオプリンティング」と題するレビューを発表しました。このレビューでは、主に生物学者の観点からバイオプリンティングを検討し、押し出しバイオプリンティングの手順を概説し、さまざまな生物学的 3D プリンティング技術とその将来の展望について説明します。

細胞生物学は、従来、細胞培養プレートなどの 2D の剛性表面上の細胞や動物モデルを使用して研究されてきました。 3D 培養細胞は柔らかい素材で培養され、体内の細胞の集団的な細胞挙動を模倣します。生物学的または合成分子材料の多くの種類のハイドロゲルが開発され、細胞培養に応用されています。バイオ製造の分野では、バイオ 3D プリンティングは、コンピューター支援転送プロセスを使用して設定されたパターンを作成し、それを層状に組み立ててバイオエンジニアリング構造を生成する技術として定義されています。

バイオプリンティング技術は基本的に3つのカテゴリーに分けられます。

1. 押し出し印刷技術: ユーザー定義のフィラメントが圧力駆動方式によってプリンターのノズルから押し出され、印刷されます。（図1）

図1 押し出し印刷技術

2. 投影ベースの光硬化バイオプリンティング: 光を 2D 平面に集中させてハイドロゲルを局所的に固め、その後、機械によって層を変換して、連続した層ごとに架橋された 3D エンティティを形成します。リソグラフィバイオ 3D プリンティングは、その精度により複雑な微細構造を再現できます。例えば、2016年に発表された研究では、人工多能性幹細胞（iPSC）-肝細胞、内皮細胞、脂肪幹細胞が、投影光重合技術を使用してバイオニック六角形微細構造で培養され、その培養モデルが肝細胞機能を強化し、肝臓特異的遺伝子発現、アルブミン分泌、薬物代謝酵素活性を増加できることが実証されました。（図2A）

図2 光制御印刷技術とマイクロスフィア印刷技術

3. マイクロスフィア印刷技術：

スフェロイドバイオプリンティング技術の利点は、高密度細胞構造の印刷が可能なことです。単一細胞がゲル内に分散している場合、多くの疾患状態を忠実に表現することは困難です。あらかじめ製造された球体は組織ストランドに融合することができ、その後、組織ストランド自体がより大きな 3D 構造に押し出されます。球状バイオプリンティング技術は、臓器や組織のモデルの開発に大きな応用の見込みがあります。（図2B）

著者は上記の 3 つの印刷技術を比較し、それぞれの利点と欠点を列挙しています。（表１）

表1 3つの印刷技術の長所と短所の比較

次に、著者らはバイオプリンティングの手順について説明します。 3つのステップにまとめられます。（図3）

1. 計画を立てる。全体的な印刷パターンと個々のバイオプリンティングコンポーネントを設計します。注意すべき重要なステップは、印刷デザインとバイオインクの選択の 2 つです。

印刷デザインは通常、コンピュータ支援設計 (CAD) ソフトウェアを使用して作成されます。 CAD モデルを作成したら、それをプリンターにアップロードして G コードを作成できます。 G コードはバイオインクの印刷パスを定義し、複数のバイオインクが使用される場合に印刷プロセス全体で使用されるバイオインクを指定できます。

バイオインクの選択は、主にインクの印刷可能性とバイオインクが細胞の挙動に与える影響に基づいて行われます。バイオインクの選択に関する一般的な考慮事項を表 2 に示します。

表2 バイオインク選択の一般的な考慮事項

2. 印刷します。適切なバイオプリンターを使用して、設計された構造を印刷します。

3. 処理。印刷構造を処理します。

バイオプリンティングの最終ステップは、バイオプリントされた構造を処理することです。これらは主に実験的なアプリケーションシナリオ全体を考慮します。これには、実験プロセス全体の長さ（使用するバイオインクと印刷構造の安定性を決定する）と、そこに含める必要がある細胞が含まれます。ユーザーは、アプリケーションのシナリオに応じて、印刷構造のサイズと印刷パラメータを計画する必要がある場合があります。

図3 バイオプリンティングの手順

生物学における3Dバイオプリンティングの応用:

1. 組織発達と修復のためのバイオプリンティングモデル

3D プリントされたハイドロゲルでは、さまざまな成長因子の生化学的勾配を実現できます。血管新生の発芽実験では、さまざまな成長因子濃度に応じて、分解性ハイドロゲル内の 3D プリントされたマイクロチャネルで細胞が成長しました。（図4A）

2. 生物物理学的形態形成

組織の成長中に内部圧力と張力が発生し、機械的な力が生じます。 3D ハイドロゲルモデルは、この細胞外マトリックスモデルを再形成できます。彼らは、線維芽細胞を含むコラーゲンバイオインクを足場の上に押し出し、牽引力によるコラーゲンの長さの変化を測定した。（図4A）

3. がん疾患モデル

ある研究では、GelMA バイオインクの押し出しバイオプリンティングを使用して、神経膠芽腫細胞とマクロファージを別々に培養した小型脳モデルを開発しました。これにより、腫瘍とその周囲の微小環境との相互作用をより適切にシミュレートできます。このモデルは、臨床的に生成されたトランスクリプトームデータと相関関係にあることが示されています。（図4B）

4. 尿細管疾患モデル

腎尿細管と血管の相互接続と再吸収の関係は複雑です。ある研究では、フィブリンマトリックスに 2 つの平行なマイクロチャネルが印刷され、そのうちの 1 つには近位尿細管内皮細胞が、もう 1 つには血管内皮細胞が並べられ、上皮細胞と血管細胞の単層が形成されました。閉ループ灌流システムを介して両方のチャネルを通る流れを制御することで、上皮チャネルから血管チャネルへのグルコースの再吸収を研究することができます。（図4B）

図4 生物学におけるバイオプリンティングの応用

最後に、著者らはいくつかの将来の研究の方向性を概説しています。

1. パラクリンなどの長距離生化学シグナルを研究する

生体内で発達する組織の形態形成を理解することは、従来から複雑です。しかし、3D バイオプリンティングはここで重要な役割を果たすことができます。生物学的プロセスにおいて、細胞は他の細胞に作用するために傍分泌的にサイトカインを分泌します。バイオプリンティングは、サイトカインの「送信」細胞と「受信」細胞を配列し、組織のサイズと構成、およびサイトカインの拡散距離と拡散速度を定量的に制御することができます。ある研究では、細胞パラメータの変化を通じて血管細胞と腫瘍細胞の相互作用をリアルタイムで画像化し、増殖、移動、分泌、タンパク質や遺伝子の発現などのデータを生成できることが示されました。（図5A）

2. 発達分化点における生物学的構造の構築

細胞は機械的牽引力などの要因により異なる分極を生成し、結果として極性ゾーニングが生じることがあります。上向きと下向きの方向性細胞や平面極性細胞など。ある研究では、バイオプリンティング技術を使用して、パターン張力が神経堤形成などの集団細胞行動に与える影響を調査しました。 3D バイオプリンティングでは、細胞の種類、細胞間マトリックス (ECM) の種類、ハイドロゲル内の ECM の力学などのパラメータを変更して、集団的な細胞挙動を研究できます。（図5B）

3. 形態学的変化

バイオプリンティング手法を使用すると、細胞密度勾配を持つ組織を作成し、細胞密度のみで発芽表現型の形成を引き起こすのに十分かどうかを判断できます。研究では、細胞密度に隣接する微小環境条件をパターン化して調整することができ、これを使用して微小環境における細胞の移動をスクリーニングすることができます。（図5C）

図5 生物学におけるバイオプリンティングの新たな応用シナリオ

要約すると、このレビューでは、新興分野としてのバイオプリンティング、この技術の使用方法の手順、およびこの技術を使用して生物学的問題を解決する方法について概説します。生体には、生体やその構成臓器の形状や構成を形成する複雑な細胞、生化学、生物物理学的ダイナミクスが関与しており、人体のこれらの複雑さは、急速に成長している有機工学分野との連携により、さまざまな方法でバイオプリンティングによって再現することができます。したがって、3D バイオプリンティングの将来は、生物学的問題を解決する上で大きな可能性を秘めています。

ソース：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.12.002

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