脳の微小環境を模倣するための 3D プリントされたヒアルロン酸ベースの細胞含有足場

寄稿者: Pei Na、Wang Ling 寄稿部署: 機械製造システム工学国家重点研究室

脳腫瘍は世界中の人々の健康に大きな脅威をもたらすため、極めて複雑な人間の脳の微小環境を理解することは、脳腫瘍の研究と治療薬の開発にとって非常に重要です。研究により、腫瘍微小環境（特に ECM）が多形性神経膠芽腫（GBM）の進行と浸潤に重要な役割を果たしていることが明らかになっていますが、その根底にある分子メカニズムは依然として不明です。したがって、in vitro 腫瘍モデルを確立することは、腫瘍関連細胞と周囲の細胞外マトリックス分子との相互作用を研究するための可能なアプローチである可能性があり、そのためにはまず、正常な脳細胞を搭載したハイドロゲル足場の形で脳の微小環境を模倣する必要があります。したがって、脳腫瘍研究のために 3D バイオプリンティング技術を使用して in vitro 脳微小環境モデルを作製することが最優先事項です。

浙江大学流体動力および電気機械システム国家重点研究室の研究者らは、空気圧押し出し 3D バイオプリンティングシステムを使用して、最も一般的な 2 つのモデル構造 (多層グリッドマトリックスと単層固体膜) を構築しました。ヒトグリア細胞 (HEB) をヒアルロン酸 (HA)、ゼラチン (GA)、アルギン酸ナトリウム (SA) を含むバイオインクに封入し、脳マトリックスの微小環境をシミュレートするモデルを構築しました。異なる構造の足場を備えたシミュレートされた脳マトリックス微小環境モデルの機械的および生物学的特性に対するバイオインクの配合とゼラチン濃度の影響を調査します。

図 1 細胞を含んだ足場印刷プロセスの概略図。研究者らは、バイオインク中のゼラチンの濃度を変えることで 3 種類のバイオインクを得ました。 1.5% HA + 1.5% SA を含むバイオインクは 0GA、1.5% HA + 1.5% SA + 3.75% GA を含むバイオインクは 3.75% GA、1.5% HA + 1.5% SA + 7.5% GA を含むバイオインクは 7.5% GA と名付けられました。研究者らは、SEM 画像を使用してバイオインクの多孔質構造の形成を研究および比較し、組織学的ヘマトキシリン・エオシン染色を使用してバイオインク内の HEB の形態を観察しました。結果から、バイオインクにゼラチンが含まれていない場合、ハイドロゲルはシート状の構造を取り、より高密度の構造を示し、スキャフォールド内の HEB はしっかりと接着して接続していることがわかります。ゼラチン濃度が増加すると、ハイドロゲルの微細構造に明らかな細孔とネットワークが現れました。さらに、足場内の細胞はより分散した分布を示し、微細構造内に形成された網状繊維の方向に沿って方向性を持って成長しました。これも、ゼラチンを含む生物モデル内の細胞の生存能力が高いことを説明しています。

さらに、研究者らは生死染色法を用いて、異なる構造と異なる組成のバイオスキャフォールドにおけるヒトグリア細胞の生存率を観察し、ゼラチンの効果と2つの構造が細胞生存率に与える影響を比較した。

図2 印刷1日後の(a)単層固体フィルムと(b)多層グリッド構造(スケールバー1mm)、(c)単層固体フィルムと(d)多層グリッド構造(スケールバー500μm)におけるヒトグリア細胞の生細胞と死細胞染色結果、(e)印刷後1、7、14日目の5つのテストグループにおける細胞生存率、(f)培養14日後の5つのテストグループにおける細胞増殖率。結果は、ゼラチンを含まず、長期培養で単層の固体膜構造に印刷される生物モデルと比較して、適切な濃度のゼラチンは印刷された構造の安定性を高め、多層グリッド構造は細胞が栄養素と酸素を得るための表面積を増やし、それによって細胞の生存率を高めることができることを示しています。さらに、5つのテストグループでは、細胞の生存率が85％以上を維持しており、この記事で構築されたモデルが細胞の成長に適していることを示しています。

参考文献:
Ma, L., et al., 脳微小環境シミュレーションのための3Dバイオプリントヒアルロン酸ベースの細胞含有スキャフォールド。Bio-Design and Manufacturing、2020年。3(3): p. 164-174。

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