従来の細胞培養は、平面に単層を形成させる2次元培養を前提としています。この方法はin vitro研究の基礎となっていますが、さまざまなタイプのハイドロゲルによる担体マトリックスを足場に使うと、良好な結果が得られ、細胞の挙動も自然な挙動に近くなることが研究現場で確認され始めています。
本合成ハイドロゲルガイドは、3次元の細胞培養を成功させるうえでの疑問点を解消するとともに、3D細胞培養で合成ハイドロゲルを使う場合と生物学的ハイドロゲルを使う場合の違いも解説します。
ハイドロゲルとは
コーニング ライフサイエンスの3D細胞培養ポートフォリオ担当マーケットマネージャー、Elizabeth Abraham博士によれば、ハイドロゲルは大量の水分を吸収する生体材料で、本質的に親水性材料です。細胞培養に使用すると、自己凝集して3D構造を形成し、細胞培養の担体となります。ハイドロゲルがあれば、細胞は培養表面で単層として増殖するのではなく、凝集して3D構造を形成し、組織や臓器の解剖学的形態を模倣します。
3D細胞培養用のハイドロゲル製品には、天然材料のものと合成材料のものがあります。天然ハイドロゲルの例としては、Corning® マトリゲル基底膜マトリックスが挙げられます。これは、マウスEHS肉腫細胞由来のコラーゲンとラミニンを含有する天然の細胞外基質(ECM)製品です。このECM誘導体は、細胞表面受容体との相互作用で挙動に影響を与える重要な表面シグナル伝達構造を含有していることから、特に細胞の増殖や凝集を促進します。
可溶化基底膜調製品であるマトリゲル基底膜マトリックスは、上皮細胞株や腫瘍細胞株など、さまざまな接着細胞を対象に接着・分化を促進します。
合成ハイドロゲルとは
生物由来物質は、細胞株からの天然由来であり、細胞の接着・増殖を促進します。一方、合成ハイドロゲルは似てはいますが、単一成分やカスタマイズされた調合品として、新規に作成・設計されたものです。Abraham博士は、「共有結合架橋性かイオン架橋性のホモポリマーやコポリマーと合成モノマーの重合の網目構造で、ハイドロゲル構造を形成するもの」と説明します。天然ハイドロゲルを模倣しますが、ハイドロゲルの成分が定義されているため、研究者にとっては制御性や柔軟性が高くなります
コーニング ライフサイエンスの先進細胞培養担当シニアプロダクトマネージャー、Alejandro Montoya氏は、次のように説明します。「合成ハイドロゲルの組成に使われている生理化学的特性は、機能的な可能性を決定する際に役立ちます」
さらにAbraham博士は、カスタマイズの可能性についても触れています。「合成ハイドロゲルは、物理架橋、化学架橋、酵素架橋といった架橋法に基づいて分類することもあります。しかも架橋は、時間、温度、pH、フォトパターニング、相互侵入高分子網目(IPN)に依存することがあります。こうした合成ハイドロゲルの剛性や弾性、多孔性、分解性、細胞接着性、生理活性など多くの特性は、使用する組成や架橋により変化します」