実験の価値を高める3D細胞培養の力

2D細胞培養が主要実験ツールとして今も世界中で使用されているのには、それ相応の理由があります。この伝統ある培養法は、新薬候補の毒性試験、ヒト細胞へのウイルスの影響把握、がん治療法開発、その他の多くの医学上の重要な発見に役立っています。

しかし、2Dモデルには次元性や複雑性が欠けることから、生物学的関連性の低い細胞培養モデルと言えます。同じ種類の細胞が三次元的に周囲を取り囲み、さらに他の種類の細胞が近くに存在するという環境がなければ、ヒトおよび動物細胞の多くは、in vivoで見られるような発達を遂げることができないのです。

2Dと3Dでの細胞培養物のふるまいの違いは、決して無視できるほど軽微なものではなく、偶発的なものでもありません。複雑な生物学的プロセスには、方向性や密度の要素がほぼ例外なく関わっていますが、これは2D細胞培養物ではどうやっても説明がつきません。その点、3D細胞培養で増殖した腫瘍細胞は、in vivoでの遺伝子発現パターン、酸素と栄養素の供給状況の不均一性、固形腫瘍の薬剤応答を精緻に再現できます。神経細胞の3D細胞培養は、2D細胞培養には再現不可能な細胞間シグナル伝達や神経疾患病態の側面も再現できます。

腫瘍細胞を3D配置にすると、分化、増殖、転移を含む細胞挙動に影響することが観察されています。こうした細胞は、元来3D環境で存在するため、たいていの場合、薄層や単層よりも3D形状のほうが頑健性も生存率も高くなります。その結果、2D細胞培養では、化学的な処置の有効性がことごとく過大評価される可能性があります。 

簡単に言えば、3D細胞培養は、当然のことながら、生理的環境を高度に再現した状態に細胞が置かれるため、in vivo状況を精緻に模倣するのです。

3D細胞培養は有効性が非常に高いため、さまざまなタイプが登場しています。

• 最も単純な3D細胞培養であるスフェロイドは、一般に単一タイプの細胞が球状に凝集したものです。主にがん研究や毒性試験に使われています。

• オルガノイドモデルは、特定器官に関連する複数タイプの細胞が特異的に配列された3D培養物を指します。こうしたモデルには、多くの場合、極性と内腔があり、正常な生理機能、疾患機序、薬剤応答を精緻に再現する際に使用します。

• Organ-on-a-chipモデルは、マイクロ流体技術と3D細胞培養技術を組み合わせたミニチュアデバイスで、特定器官の生理機能を模倣します。現行のアプリケーションには、前臨床の薬効試験、安全性試験、疾患モデル構築などがあります。 

• また、研究用や再生医療向けに、バイオプリンティングなどの技術を使った3D細胞培養のバリエーションの開発が進められています。 

研究用の3D細胞培養の開発には時間がかかることから、最近まで多くの研究室が導入を躊躇していました。しかし、現在では数えきれないほどの製品が発売されており、研究現場が実現可能な多彩な3D培養を効率よく設計し、増殖させるうえで役立っています。 

Corning^® マトリゲル基底膜マトリックス オルガノイド形成用のように最適化されたハイドロゲルを使用すると、増殖促進に必要なシグナル伝達因子とともに、3次元形成が可能な物理的基質になります。また、スフェロイドマイクロプレートを採用してスフェロイドスクリーニングを迅速化することも可能です。 

最近は、腎臓、網膜、脳組織、心臓、肝臓などの器官の機能や疾患機序を再現する多様な3D細胞培養手法を報告する論文が発表されています。

この技術の影響を最も実感するのは、最終的には患者です。例えば、プレシジョンメディシン（精密医療）研究は、患者特異的な生物学的構造に対する治療の適応を後押しすることになります。3D細胞培養手法は、がん研究などの領域のプレシジョンメディシン研究に寄与しています。 

世界中の研究室で、いよいよ3D細胞培養の可能性が開花しようとしています。これを受け、研究現場では、従来のディッシュ上での培養の手軽さと実際の動物モデルの妥当性という、双方のメリットが上手に生かせるようになります。 

最新動向については、e-book「コーニングの3D細胞培養」、ウェビナー、動画でご紹介しています。