がん研究を専門としている研究者たちは、生命科学における大きな進化の中にいます。それは2D細胞培養から3D細胞培養への移行です。
がん研究者は自身の研究のために3Dモデルのin vivo様環境を形成することを追求してきましたが、これらの過程で癌微小環境を作成するには2Dより3Dの方が、いかに、またなぜ優れているのかについての知見を深めてきました。
乳癌微小環境についても例外ではありません。
癌微小環境とは？
癌微小環境とは、腫瘍の中で癌細胞の生存を維持する完全な生態系と考えてください。この環境には、癌細胞や細胞外基質などの生物学的物質のみならず、物理的な刺激や生化学的シグナル応答なども含まれます。
研究者が癌微小環境の研究に対しこれほどまでに情熱を傾けている理由の一つは、癌の進行を理解する上でそれらが役立つからです。微小環境の細胞構成およびその生化学的特性などの、腫瘍の様々な生物学的背景からの刺激が、腫瘍を拡散させる原因となり得ます。腫瘍の起こりえる転移挙動の全貌を把握できれば、in vivoの悪性腫瘍と似たような環境で抗癌剤を研究、試験できるのです。
癌による死亡の大部分は原発腫瘍よりもむしろ転移性がんに起因していることからも、これが重要だとわかるでしょう。特に乳癌では、アメリカにおける年間42,000人の乳癌死亡者のほとんどが、転移性乳癌によるものです。
微小環境の完全性を確保することは、腫瘍の形成および血管新生から、浸潤、血管内侵入、血管外遊出、そして最終的に循環へと移行する、その転移の性質を再現するのに役立つ可能性があります。
癌微小環境における2Dと3Dの比較
がん研究の枠内にとどまらずその他の領域でも同様に、研究者は3D細胞培養がネイティブ組織の挙動と特性を、特に細胞形態に関して、より正確に再現することを見出しています。3D培養物は細胞周囲の表面全体がインテグリンを介した接着が可能であるのに対し、基本的に平面である2D細胞培養は、接着は一面だけに限定されます。
乳癌微小環境のアプリケーションにおいて、Frontiers in Bioengineering and Biotechnology誌は2Dを「実用的だが役に立たない」プラットフォームとして記述しています。2Dプラットフォームは、安価で、高速化することが可能という利点はありますが、生物学的、化学的、免疫学的な構成や本来の素材の応答を十分に表現していない可能性があります。
Corning®マトリゲル基底膜マトリックスなどのハイドロゲルスキャフォールドを追加することにより培養を3D解析に転換すれば、天然に近い形態、増殖、代謝、および薬剤応答を獲得し、研究室における乳癌微小環境の有用性を大きく改善できる可能性があります。
3Dの新たな夜明け：バイオプリンティング
ちょうどベンチが2Dから3Dへと進化したように、in vitro培養における本質的な溝を埋める進化も見られました。ここに3Dバイオプリンティングが登場します。
環境を再現するための高度なアプローチとして、3Dバイオプリンティングがあります。これは現代の3D印刷技術およびバイオインクの産物で、通常次の3つのいずれかの方式を用いています：吐出、インクジェットそしてレーザー印刷。3Dバイオプリンティングは生物学的材料を細胞レベルで作製することができるため、研究者はこの技術が乳癌微小環境については、ボディ・オン・チップや合成組織よりも広く用いられるようになるかもしれないと考えています。
3Dバイオプリンティングの研究は、ハイブリッド印刷やポスト架橋の可能性を含め、今なお進行中です。それらの研究が続いていく間も、天然や合成のスキャフォールド、さらにそれらを保持するパーミアブルサポートが興味深い役割を果たすであろうことは明確です。
そして、この開発によって何千人もの乳癌患者の命を救うことになるかもしれないことから、これらの進歩に大きな期待が寄せられています。
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