3D細胞培養の応用とバイオプリンティングががん研究を変える

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研究者たちは、がんなどのヒト疾患メカニズムの研究には、2D細胞培養や動物モデルに依存してきました。これらのモデルは、多くの疾患で主要な発見と理解の向上につながりましたが、限界がありました。2D細胞培養モデルでは、in vivoでの複雑な腫瘍の挙動を正確に捉えることができません。

3D細胞培養の応用と3Dバイオプリンティングの登場で、がん研究は変化しています。現在では、転移などのがんの複雑な側面をモデル化して研究することができ、薬剤の有効性や毒性をより現実的にかつ迅速に検証することができるようになりました。Annals of Biomedical Engineering誌に掲載された最近の研究によれば、3D条件下で培養された細胞は、より正確にin vivoでの細胞応答を模倣しています。

3Dバイオプリンティングはどのように機能するのか?

3D組織工学による構築物(Tissue Engineering Constructs; TECS)は、原因となる分子経路を発見するためのin vitroモデルとして開発されています。研究者たちは、3Dプリンティングと呼ばれる積層造形法(Additive Manufacturing;AM)を利用して、マイクロスケールで精密な3D構造を作製し、研究したい特定の特性を持つTECSを作製しています。彼らは、スフェロイド培養を利用して、中空コアを形成する腫瘍細胞を作製していますが、これは腫瘍細胞の人体での振舞いに似ています。

3D細胞プリンティング技術は、「バイオインク」の形で様々な種類の細胞を使用して組織を作製します。これらのバイオインクは、スキャフォールドやハイドロゲルにプリントされるか、あるいは組織を支えることができるTranswell®パーミアブルサポートなどの透過性支持体にプリントされます。International Journal of Molecular Sciences誌に掲載された研究によると、インクジェット法、押出成形、およびレーザーを利用したプリンティングはすべて生体材料を3D構造に作製する方法です。

3Dバイオプリンティングとがん研究

バイオプリンティングは、特定の種類の組織や臓器用のスキャフォールドを作ることができます。例えば、Organovo社の研究者は、3Dバイオプリンティングを用いて、毒物試験に使用するための肝臓組織を開発しています。Nature Reviews: Materials誌に掲載された研究によれば、がん研究では、治療薬のスクリーニングにin vitro 3D腫瘍モデルを頻繁に使用しています。バイオプリンティング技術は「多細胞で制御可能な再現性の高い腫瘍モデル」の作製に利用できると著者らは述べています。例えば、バイオプリントされた卵巣腫瘍モデルは、ハイスループットスクリーニングに使用されています。

バイオファブリケーションにおける研究では、ハイドロゲル混合液に包埋されたHeLa細胞からバイオプリンティングを用いて子宮頸癌モデルを作製しました。細胞は細胞外基質の中で増殖しました。HeLa細胞を2Dと3Dで培養し、それぞれ化学療法薬に暴露したところ、3D培養では化学療法に抵抗性が認められました。

3Dバイオプリンティングプロセスの違い

様々な3Dバイオプリンティングのアプローチが、腫瘍生物学と薬剤試験の特定分野の研究に用いられてきました。Current Opinion in Biomedical Engineering誌に掲載された研究によると、3Dプリントされた基質は、「低酸素コアを有する3D腫瘍スフェロイドの作製に理想的なプラットフォーム」でした。

細胞遊走の単培養モデルは、攻撃的な増殖と遊走の研究での使用に成功しています。HeLa細胞の遊走を研究するために硬さの調節が可能な基質を使用し、遊走が硬さと細胞タイプに関連していることを実証しました。

他の研究では、腫瘍細胞がストローマ細胞およびマクロファージなどの補助細胞とどのように相互作用するかを調べるために、共培養モデルが使用されています。ステレオリソグラフィーと熱溶融フィラメント製法技術により、骨組織への癌細胞転移の3Dモデルを構築することが可能となります。熱溶融フィラメント製法またはステレオリソグラフィーによって作製されたスキャフォールドは、小さな六角形または正方形の孔パターンを生成し、骨のような微小環境を作り出します。

近年、3D細胞培養の応用が急速に発展し、より現実的な生化学的微小環境でがんやその治療への反応を研究できるようになってきています。技術やシステムが進化、発展し続ける中で、私たちのがんに対する理解や化学療法のための新しい治療標的の選択も進んでいくことでしょう。