デルフト工科大学が「脳のような環境」を3Dプリントし、神経疾患の治療に新たなツールを提供

2025年2月1日、アンタークティックベアは、デルフト工科大学（TU Delft）の研究者が、実際の脳と同じようにニューロンが成長する3Dプリントの「脳のような環境」を開発したことを知りました。彼らは、極小のナノピラーを使用して、軟部神経組織と脳の細胞外マトリックス繊維を模倣しました。印刷されたモデルは、ニューロンがどのようにネットワークを形成するかについて新たな洞察を提供し、また、アルツハイマー病、パーキンソン病、自閉症スペクトラム障害などの神経疾患においてこのプロセスがどのように変化するかを将来的に理解するための新しいツールも提供します。
関連研究は、「レーザー支援3Dプリントナノ構造アレイによる神経ネットワークの方向性と成長円錐の形態に対する有効せん断弾性係数の影響の解明」と題する論文としてAdvanced Functional Materials誌に掲載され、同誌の表紙記事となり、神経成長円錐に関する新たな知見を明らかにした。

論文リンク: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202409451
ニューロンは、体内の多くの細胞と同様に、周囲の硬さや形状に反応します。従来の培養皿は、脳の柔らかく繊維状の細胞外マトリックス環境とは異なり、平らで硬いものです。この環境の幾何学的および機械的特性を模倣するために、デルフト工科大学のアンジェロ・アッカルド准教授のチームは、 2光子重合を使用してナノピラーのアレイを設計しました。
ナノピラーアレイの製造と特性評価。 A) 配列パラメータの概略図。 B) ナノピラーの「リボン」の 3D レンダリング。 C) 異なる高さのナノピラーアレイの SEM 画像: i) ベース、ii) 0.6 µm、iii) 1 µm、iv) 2.3 µm、v) 3.3 µm、および vi) 5 µm。スケールバーは5µmに相当します。 D) ナノピラーストリップのSEM画像（この画像の領域は30×30µm2）。スケールバーは15µmに相当します。 E) 測定された列間ギャップと直径（µm単位）。平均値と標準偏差は、n = 50 ナノピラーの測定に基づいています。 F) 異なるナノピラーアレイの高さ (µm) に関連する有効せん断弾性率 (MPa)。
これらのナノピラーは、それぞれが人間の髪の毛の1000分の1の細さで、小さな森のように表面上に配置されています。研究者らは、ナノピラーのアスペクト比を変えることで、細胞がナノ構造アレイ上を這うときに感知する機械的特性である有効せん断弾性率を調整した。「これにより、ナノピラーの素材自体は硬いにもかかわらず、ニューロンは柔らかい脳のような環境にいると『考える』ようになります」とアッカード氏は言う。「ニューロンが這うとき、ナノピラーは脳組織の柔らかさを模倣するだけでなく、実際の脳組織の細胞外マトリックスナノファイバーのように、ニューロンがつかむことができる 3D ナノ構造も提供します。」これは、ニューロンの成長と接続に影響します。

秩序あるネットワーク<br /> このモデルをテストするために、研究者らはマウスの脳組織またはヒトの幹細胞から得た3種類の神経細胞をナノピラー上で培養した。従来の平面培養皿や二次元生体材料では、ニューロンはランダムな方向に成長します。しかし、3D プリントされたナノピラーアレイ上では、3 種類の細胞すべてがより組織化されたパターンで成長し、特定の角度でネットワークを形成しました。

「これらの手のような構造は、成長中のニューロンの先端が新しい接続を探す際にガイドとなる」とアッカード氏は言う。「平らな表面では、成長円錐は広がって比較的平らなままである。しかし、ナノピラーアレイ上では、成長円錐は長い指のような突起を出し、あらゆる方向で周囲を探索する。平らな表面だけでなく、実際の脳環境で起こるのと同様に、3次元で探索するのだ。」
「さらに、ナノピラーによって作り出された環境は神経細胞の成熟を促進するように思われることもわかりました」と、研究の筆頭著者であるジョージ・フラモラキス氏は述べた。「ナノピラー上で成長した神経前駆細胞は、平面上で成長したものと比較して、成熟した神経マーカーのレベルが高かった。これは、このシステムが成長の方向に影響を及ぼすだけでなく、神経細胞の成熟も促進することを示唆している。」
脳疾患の研究
「ゲルのような柔らかい材料でニューロンを培養する場合の問題は、コラーゲンやマトリゲルのようなゲルマトリックスはバッチごとにばらつきがあり、幾何学的特徴が適切に設計されていないことが多いことです」とアッカルド氏は言う。「ナノピラーアレイモデルは、両方の長所を兼ね備えています。ナノスケールの特徴を持つ柔らかい環境のように動作し、2光子重合の解像度により再現性が極めて高いのです。」
開発されたモデルは、ニューロンがどのように成長し、接続するかをより正確に再現することで、健康な脳ネットワークと、アルツハイマー病、パーキンソン病、自閉症スペクトラム障害などの神経疾患に関連する脳ネットワークとの違いについて新たな洞察を提供できる可能性がある。
デルフト工科大学での取り組みは、機械工学部 (PME、BmechE、DCSC)、応用物理学部 (ImPhys)、ErasmusMC の 3 つの部門による共同の取り組みです。この研究は機械工学部とNWO XSの支援を受けて行われました。

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