ハイドロゲルで「成長」した微小臓器、ロンドン大学の科学者は3Dバイオプリンティングを使用して癌の広がり方を解明

2023年6月12日、アンタークティック・ベアは、グレート・オーモンド・ストリート病院、ロンドン大学ユニバーシティ・カレッジ（UCL）、パドヴァ大学の科学者らが、生物学的3Dプリント技術を用いてハイドロゲル内で微小臓器を「成長」させる方法を実証したことを知った。これは、がんがさまざまな組織にどのように広がるかをより深く理解するのに役立つだろう。この新技術は、小型臓器の形状と活動を制御し、さらには組織を「型」に成長させることにも役立つ可能性がある。 UCLによると、研究チームはこれにより、より現実的な臓器や病気のモデルを作成し、細胞や臓器をより正確に研究できるようになることを期待しているという。

関連研究は、Anna Urciuolo、Giovanni Giuseppe Giobbeらによる「オルガノイドおよび器官型培養のガイダンスと制御のためのハイドロゲルインハイドロゲルライブバイオプリンティング/オルガノイドおよび器官型培養のガイダンスと制御のためのハイドロゲルインハイドロゲルライブバイオプリンティング」と題する論文として、Nature Communications誌に掲載されました。

論文リンク: https://www.nature.com/articles/s41467-023-37953-4#Ack1
オルガノイド科学は、ロンドン大学ロンドン校グレート・オーモンド・ストリート小児保健研究所とグレート・オーモンド・ストリート病院の提携によるザイード研究センターの専門研究分野の 1 つです。胃、腸、肺などの臓器のミニチュア版を作成する作業です。しかし、組織はほとんどの場合、制御されない形で成長し、自然の臓器の複雑な構造を反映しません。臓器の形状と構造は細胞の構成と同じくらい重要であるため、これは特に重要です。
ネイチャー誌に掲載されたこの新たな研究では、高解像度顕微鏡のおかげで、科学者が既存のゲル内に固体構造を作り出し、それをリアルタイムで特定の形状に固める方法を初めて明らかにした。これは、成長中のミニ臓器、またはオルガノイド全体のどの細胞も、特定の方法で成長することを意味します。
図 1 ハイドロゲル印刷の性能図 2 ハイドロゲル内ハイドロゲルのライブバイオプリンティングの時間的制御と oSpC の制御された軸索誘導図 3 3D オルガノイド培養における癌細胞の移動を研究するためのハイドロゲルのライブバイオプリンティング図 4 ハイドロゲル内スーパーオルガノイドのライブバイオプリンティングによる腸管オルガノイドの形態形成の促進図 5 ハイドロゲル内ハイドロゲルのライブバイオプリンティングによるオルガノイドおよび器官培養に対する 3D 幾何学的制約たとえば、癌がさまざまな硬さと密度の組織をどのように移動するかを調べるために、研究チームは癌細胞の周囲に硬化ゲルケージを作成し、周囲の密度に応じて癌細胞の動きがどのように変化するかを監視しました。これは、癌の拡散を理解するための重要なプロセスです。
研究者たちは、より優れた疾患モデルを作成することで、将来の研究がより信頼性が高くなり、より質の高い結果が得られ、最終的には動物実験が削減されることを期待しています。
研究チームは現在、バイオプリンティングを使用して臓器を再現するとともに、妊娠初期に起こる多くの奇形など、臓器が適切に成長しなかった場合に臓器の機能がどうなるかを研究することを計画している。この研究により、生物学的に正確な「パッチ」を生体臓器内に送り込むことで治療への応用も可能になるかもしれない。
ロンドン大学グレート・オーモンド・ストリート校の研究共同主執筆者であるジョバンニ・ジョッベ博士は次のように述べた。「ポリマーゲルに施した微細で複雑な調整のおかげで、目の前でこのような精密な構造が形成され始めるのを見るのは驚きでした。これが人間の病気に対する理解を深めるのに役立ち、将来的には臨床治療につながるかもしれないと思うと、本当に興奮しています。」
バイオプリンティングの用途を探るために、研究チームはこの方法をいくつかの異なる状況に適用しました。たとえば、ニューロンを研究するために、オルガノイド研究では従来、分離して研究することができない無秩序なニューロンの束が生成されてきました。しかし、この技術により、研究チームは、競泳用プールのレーンのように、ニューロンが成長するための硬化ゲルの「トラック」を作成することができました。
同時に、顕微鏡でしか見えない腸の形状が「実際の」発達中の腸と同じであることを保証するために、研究チームは、発達中の腸の複雑な構造（「陰窩」と「絨毛」と呼ばれる）を模倣した形状を形成するようにオルガノイドを誘導する複雑なハイドロゲル型を作成した。同様に、科学者たちは、実際の肺と同じように肺細胞の分岐を促すハイドロゲルを設計することができた。
NIHR GOSH BRC組織工学および再生医療テーマリーダー、UCLグレートオーモンドストリート小児保健研究所、GOSH小児外科医およびパートナーであるパオロ・デ・コッピ教授は、次のように述べています。「この研究は、学際的な国際チームを結集して研究を改善し、患者に利益をもたらす方法の素晴らしい例です。英国でオルガノイドを専門とするGOSHとUCLのチームが、ゲル印刷の設計と応用を専門とするイタリアのチームと協力し、この非常に重要な研究成果を可能にしました。これは、病気の理解を深めるための実験室ベースの研究に影響を与えるだけでなく、臨床と治療にも影響を与える可能性があります。」
この研究の次のステップは、これらの制御され、成形され、方向付けられた小型臓器を研究し、それらがどのように実際の臓器や体内の状態を模倣しているかをより深く理解することです。
「この研究は、生物医学研究で爆発的に増加している学際的アプローチの進歩の一例です」と、パドヴァ大学小児科学研究所神経筋工学研究室長のアンナ・ウリウオロ博士は語った。「研究室で臓器モデルを複製する能力と、科学者が実験台で健康な組織や臓器、病気の組織や臓器の複雑さを再現するのに役立つ技術の開発は、未来の医学を前進させる第一歩です。」
この研究は、パドヴァ大学からの2017 STARS-WiC助成金、パドヴァ大学からのProgetti di Eccellenza CaRiPaRo、TWINNING、オーク財団賞、AFMテレソン、ヴェネト州（LifeLabプログラム）からNEへの「Consorzio per la Ricerca Sanitaria」（CORIS）、NEへの欧州研究会議（ERC、RerOids）からの助成金、パドヴァ大学からの2017 STARSスターティング助成金、AU、NIHR GOSHバイオメディカル研究センター、GOSH Children's CharityへのIRPコンソリデータ助成金によってサポートされました。

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