CELLINK バイオプリンターが毛包を 3D プリントして皮膚の再生を促進

2023年11月、アンタークティックベアは、ニューヨークのレンセラー工科大学の研究者が、実験室で培養された人間の皮膚組織から毛包を3Dプリントすることに成功したことを知りました。これは画期的な成果であり、皮膚工学と再生医療の分野における大きな進歩を示しています。「3Dバイオプリントされた人間の皮膚モデルへの毛包の組み込み」と題され、サイエンス・アドバンス誌に掲載されたこの研究は、化学生物工学准教授のパンカジ・カランデ博士が主導した。この実験の鍵となったのは、スウェーデンのバイオプリント大手BICOの子会社であるCELLINKのBio X 3Dプリンターの使用だった。

研究の簡単な事実

研究者らは、線維芽細胞を含むプレゲル真皮層内に、真皮乳頭細胞 (DPC) とヒト臍帯静脈細胞 (HUVEC) によって誘導された球状体を印刷しました。結果として得られた組織は成熟すると毛包のような構造を形成し、ケラチノサイトとメラノサイトの移動によってサポートされ、形態と組成は本来の皮膚組織と非常に類似しています。より複雑性を高め、本来の付属器構造をよりよく模倣した再構築皮膚モデルは、移植の有効性や化合物の安全性試験のモデルとして再生医療に大きな影響を与える可能性があります。

毛髪科学の進歩<br /> 毛包と皮脂腺を含む毛包脂腺ユニットは、皮膚の全体構造の不可欠な部分であり、傷の治癒に重要な役割を果たします。そのため、皮膚研究の焦点となっています。健康な肌を維持する上で、毛包の重要性は化粧品だけにとどまりません。

研究者らが開発した 3D 印刷プロセスには以下が含まれます。

●印刷に十分な細胞が得られるまで、研究室で皮膚細胞と毛包細胞を培養します。

●これらの細胞はタンパク質と結合してバイオインクを形成し、プリンターによって層ごとに堆積され、有毛細胞が堆積されるチャネルが作成されます。

皮膚細胞はこれらのチャネルに移動し、毛包の自然な構造を効果的に複製します。

カランデ博士は次のように述べた。「私たちの研究は、3Dバイオプリンティングを使用して、毛包構造を非常に正確かつ再現可能な方法で作成できることの概念実証です。この自動化プロセスは、将来の皮膚バイオファブリケーションに必要です。ヒト由来の細胞を使用して毛包を再構築することは、これまで困難でした。いくつかの研究では、これらの細胞を3次元環境で培養すると、新しい毛包または毛幹を生成する可能性があることが示されており、私たちの研究はこの研究に基づいています。」

バイオプリンティングのプロセス<br /> 研究によると、ヒトの真皮乳頭細胞（DPC）は毛包の発達に重要な役割を果たしているが、毛包内での挙動とはまったく対照的に、平坦な二次元環境で培養すると、毛の成長を促進する能力が大幅に低下するという。より自然な三次元環境を実現するために、チームは 3D バイオプリンティングを採用しました。

△皮膚の毛包の3Dバイオプリント

研究チームは、CELLINK の BioX 3D バイオプリンターを使用して、押し出し圧力、ノズル径、印刷速度を制御し、ヒト表皮ケラチノサイト (HEK)、ヒト表皮メラノサイト (HEM)、真皮乳頭細胞 (DPC)、ヒト臍帯静脈内皮細胞 (HUVEC) などのバイオプリント細胞の生存と健康を確保しました。

彼らの課題は、皮膚細胞の組み合わせを使用して毛包の小さなモデル（スフェロイドと呼ばれる）を作成することでした。彼らは、球体あたり約 3,000 個の DPC を使用して、人間の真皮乳頭の寸法を正確に再現することを目標にこれらの細胞を印刷しています。

その後、研究チームはこれらの毛包構造を含む包括的な皮膚モデルの構築を開始し、DPC と HUVEC で構成され、HEK と HEM も含む独自の「バイオインク」を開発しました。この毛包バイオインクは、ヒト真皮線維芽細胞（HDF）で作られたベースベッドの上に重ねられ、ラットの尾から採取したI型コラーゲンとデルマタン硫酸と混合されました。

このベース層の上に、IV 型コラーゲンを配合した別のバイオインクを使用して別の層が印刷されました。この層は、基底真皮と最上層の表皮の間の重要な接合部です。 1 時間硬化させた後、最終段階では、HEK と HEM を含む表皮バイオインクの最上層を追加して、毛包ユニットが統合された複雑な皮膚モデルを完成させます。

皮膚モデルは 3 日間水中に浸され、その後 14 日間気液界面にさらすことで、細胞の正常な発達と分化を促進しました。この曝露は表皮細胞の終末分化を促進するため、皮膚モデルの開発にとって重要です。現在、人工組織の寿命は 2 ～ 3 週間であり、毛幹の発達が制限されています。研究チームの目標は、この期間を延長して毛包をさらに成熟させることであり、これは薬物試験や皮膚移植に大きな影響を与える可能性がある。

△ 異なる細胞成分を使用して生成された複雑な3Dバイオプリントスフェロイドの特性評価

今後の展開<br /> Additive Manufacturing Research (旧 SmarTech Analysis) の「バイオプリンティング: 市場と機会」レポートによると、この業界は 2031 年までに 28 億ドルの価値に達する可能性があります。この調査に関連しているのはバイオプリンティングサービスと材料のサブセグメントであり、この毛包インクは潜在的に利益の出る分野である一方、バイオプリンティングサービスは20億6000万ドルでこれらの収益の最大の割合を占めると予想されています。

BICO グループは、このスペースを最大限に活用できる立場にあります。同社は2016年にCELLINKとして設立され、バイオプリンターやインクなどを販売しています。すでにハーバード大学などの一流組織や大学、メルクやノバルティスなどの企業でバイオプリンターが使用されているBICOには、新たな成長の時代へとBICOを推進する新CEOが就任した。

レンセラー工科大学のカランデ氏のチームによるこの最新の研究は、機能する血管を備えた皮膚を印刷するというこれまでの成功を基にしており、火傷やその他の皮膚疾患に対するより優れた治療法の開発に向けた重要な一歩となる。この研究は、人工皮膚で毛髪を生やす道を開くだけでなく、再生医療や皮膚科学の検査における革新的な進歩の基盤を築き、老化した毛髪を再生するための幹細胞の研究の可能性を切り開きます。
オリジナルリンク: DOI: 10.1126/sciadv.adg0297

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