2017 Fiscal Year Annual Research Report
次世代三次元組織培養を実現する細胞ファイバ工学の創成
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16H06329
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
竹内 昌治 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (90343110)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
長田 翔伍 東京大学, 生産技術研究所, 特任研究員 (40751441)
大崎 寿久 公益財団法人神奈川科学技術アカデミー, 人工細胞膜システムグループ, 研究員 (50533650)
森本 雄矢 東京大学, 生産技術研究所, 助教 (60739233)
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| Project Period (FY) |
2016-05-31 – 2021-03-31
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| Keywords | マイクロ・ナノデバイス / ナノバイオ / 移植・再生医療 / 再生医学 / 細胞・組織 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、申請者らが考案した「細胞ファイバ技術」に関して3つの大きな目的がある。
一つ目の「細胞ファイバの汎用的製造技術の構築」について、平成29年度は光造形法で一体成形したファイバ作製用デバイスの小型化と大量生産を達成した。また、様々な種類の鎖状ファイバの作製条件を明らかにした。大型三次元組織の構築については、3Dプリンタの要領による直線状ファイバの積層からなるメッシュ状構造体の構築に成功した。さらに、組み立てられた大型組織へ正電荷を持つナノ粒子を添加することで、細胞ファイバ同士を接着させて、強固な結合を有する構造体を組み立て可能なことを明らかにした。
二つ目の「細胞ファイバの培養環境の最適化」については、これまでに作製した細胞ファイバの培養条件を20項目以上にわたり、50件以上の調査を行って、データベースを作成した。培養環境を最適化することで、iPS細胞を効率よく増殖させることが可能であることを見出し、国際誌であるScientific Reports誌に発表した。
三つ目の「細胞ファイバの応用展開」について、ヒト骨格筋細胞を用いて作製した細胞ファイバが、二次元培養と比較して効率的に骨格筋線維を形成して筋収縮することを認め、骨格筋組織の成熟・再生機構を解析する有用なツールであることを示した。また、ヒトiPS細胞由来肝細胞ファイバにおいても、二次元培養と比較して高い肝細胞特性を有することを認めた。臓器チップへの応用を目的としたヒトiPS細胞由来神経幹細胞ファイバについては、網羅的解析による組織特性の精査に取り組んだ。最後に、細胞治療への応用については、ヒトiPS細胞由来膵β細胞ファイバを糖尿病モデルマウスへ移植したが、移植に伴う異物反応が惹起されることが示唆されたため、新規材料と形状による異物反応を軽減する細胞ファイバの作製に取り組んでいる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
平成29年度中に、「細胞ファイバの汎用的製造技術の構築」のうち、細胞ファイバのプリンティングによる大型三次元組織の構築に関して、当初の計画以上に大きく研究が進展した。細胞ファイバは、機械的強度を持つアルギン酸ゲルから成るシェルと細胞培養用の細胞外マトリクス構成タンパクから成るコアの同時2層で構成されている。このシェルが自身の強度にて細胞の拡張を抑えることで、コアの細胞を長期間、安定して培養することができ、様々な分野への応用可能性がもたらされると想定していた。これに加えて、正の電荷を有するナノ粒子を細胞ファイバ表面に塗布することにより、シェルを接着層として複数本の細胞ファイバを組み合わせることができることを見出した。これにより、複数種類の細胞が各々の細胞ファイバに入った細胞ファイバの束や積層構造といった三次元構造を手動やバイオプリンタにて簡単に作製することに成功した。この方法を用いることで、平成30年度以降の研究では、当初計画していたよりも多数の細胞ファイバからなる複雑な大型三次元組織や、複数種類の細胞ファイバからなるヘテロな大型組織の構築が可能になると考えており、予定以上の成果が見込まれる。
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| Strategy for Future Research Activity |
「細胞ファイバの汎用的製造技術の構築」について、平成29年度に大量生産を実現した一体型ファイバ作製用デバイスを用いて、平成30年度以降は多層ファイバなどより複雑な構成のファイバの作製に取り組む。また、バイオプリンタの技術と正の電荷を有するナノ粒子を活用することで、異なる細胞を含む複数種類の細胞ファイバからなるヘテロな大型組織の構築に取り組む。
「細胞ファイバの培養環境の最適化」については、平成29年度に作成した基礎的なデータベースに新たにデータを追加していくとともに、ファイバ作製時の細胞密度やコアのヤング率などに、細胞種ごとの最適値があるかどうかを解析していく。
「細胞ファイバの応用展開」については、基礎生物学研究への応用を想定していたヒトiPS細胞由来肝細胞ファイバが高い肝細胞機能を有することが明らかになったため、平成30年度以降は臓器チップや移植グラフトへの応用可能性を検証していく。また、ヒトiPS細胞由来神経幹細胞ファイバや脂肪細胞ファイバを用いた臓器チップの開発に取り組む。細胞治療への応用については、細胞ファイバの形状や大きさ、シェルを構成するゲル素材を変化させることで、ドナーの免疫拒絶反応やiPS細胞由来細胞の移植後の腫瘍発生リスクを低減可能な、安全で移植効率の高いファイバ材料の開発に取り組む。
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| Remarks |
化学とマイクロ・ナノシステム学会第35回研究会優秀発表賞「シータ管を用いた鎖状ハイドロゲルファイバの作製」西村啓吾
日本機械学会若手優秀講演表彰「Microfluidic perfusion of grooved hydrogel microtubes」NIE MINGHAO
化学とマイクロ・ナノシステム学会若手優秀賞「マイクロ流体デバイス技術を応用した機能的な3次元組織構築技術の開発」森本雄矢
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[Journal Article] Biofabrication: A Guide to Technology and Terminology2018
Author(s)
Moroni Lorenzo、Boland Thomas、Burdick Jason A.、De Maria Carmelo、Derby Brian、Forgacs Gabor、Groll Jurgen、Li Qing、Malda Jos、Mironov Vladimir A.、Mota Carlos、Nakamura Makoto、Shu Wenmiao、Takeuchi Shoji、Woodfield Tim B.F.、Xu Tao、Yoo James J.、Vozzi Giovanni
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Journal Title
Trends in Biotechnology
Volume: 36
Pages: 384～402
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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