2017 Fiscal Year Annual Research Report
厚膜感光性材料を用いた駆動型擬似細胞外マトリックスによる生体機能の再現
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16J12039
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| Research Institution | Gunma University |
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Principal Investigator |
上野 秀貴 群馬大学, 大学院理工学府, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2016-04-22 – 2019-03-31
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| Keywords | 感光性材料 / 細胞外マトリックス / 生体機能 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、厚膜感光性材料を用いた生体機能再現のためのバイオデバイスの実現を目的とし、擬似細胞外マトリックスを有する生体機能再現デバイスの作製を行う。平成29年度は、（1）細胞組織共培養用プラットフォームの細胞培養による性能評価、（2）人体の内蔵体積・血液体積比率に等比の細胞培養用プラットフォームの設計と作製（3）厚膜感光性材料により作製される3次元微細構造構築の3つの活動に取り組んだ。
（1）無機材料を中心に作製したマイクロ流路を有するプラットフォームを作製した。本研究の特色は、「モジュラ機構」、「培養細胞組織サイズ」、「送液培地量」、および「無機材料構成マイクロ流路」である。細胞種ごとに培地や血清の有無などの最適な培養条件は異なる。特に懸濁した細胞を播種した後、細胞が培養組織を構築するまでは、各細胞に最も適した環境下で培養されることが望ましい。よって、共培養前の個別培養を可能とするため、培養細胞を有する足場を格納可能なモジュラ機構を有するプラットフォームを、Siを主な構成材料として作製し、プラットフォーム内での細胞培養に成功した。
（2）3次元培養とマイクロ流路の3次元的組み合わせにより、一般的に人体比と比較し1000倍以上となる細胞培養に必要な培地量を、人体比の10倍にまで低減したプラットフォームを構築し、プラットフォーム内での細胞培養に成功した。
（3）作製したプラットフォームに組み込むことを考慮した擬似細胞外マトリックスの厚膜感光性材料を用いた作製を試みた。厚膜感光性材料の接着能に着目し、3次元微細構造の集積を試みている。
以上、平成29年度は、細胞組織の共培養用プラットフォームの作製・評価、必要な培地量を人体内比の10倍まで低減したプラットフォームの構築と評価、厚膜感光性材料を用いた3次元微細構造の集積に取り組んだ。
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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
本年度は、モジュラ機構などの細胞共培養に適した機構を有するプラットフォームと、プラットフォーム内の細胞組織体積/培地体積を人体における臓器体積/血液体積と等比とすることを目的とした、2種類のプラットフォームの構築を並行して進め、それぞれのプラットフォーム内での細胞培養に成功した。
モジュラ機構を有するプラットフォームは前年度から引き続き設計と作製に取り組んだ。作製したプラットフォームには、細胞培養のための構造のみでなく、無機材料を中心とした流路設計、モジュラ機構、透過観察能など、細胞実験において有用な機構を複数取り入れた。当初の計画より複雑な機構となったが、細胞培養によりプラットフォームが細胞培養能を有していることを確認できた。よって、当初予定していた細胞培養能のみでなく、その他の機構をプラットフォームに組み込めたことから、当初の計画以上に進展していると考える。
プラットフォーム内の培地量低減を目的としたプラットフォームの設計・作製にも取り組んだ。本プラットフォーム構築は初期の研究計画には含まれていなかったが、今後の本研究課題発展への寄与と研究内容の学術的意義の大きさから有益と考え、本年度新たに設計・作製を開始した。結果、一般的に人体内の1000倍以上となる、プラットフォーム内の培地量比を10倍にまで低減でき、プラットフォーム内での細胞培養から有用性を示すことができた。
当初の予定と比較し、プラットフォーム内での細胞培養に適した条件の特定に時間を要したため、海外の共同研究先への留学期間を延長し、課題の解決に取り組んだ。結果、作製を計画したいずれのプラットフォームにおいても細胞培養による評価まで遂行でき、さらに、その内の一つは、本研究課題遂行に有益かつ、当初の計画には含まれていない内容であったことから、本年度の進捗は当初の計画より進展していると判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度は、厚膜感光性材料を用いた3次元立体構造集積化技術の構築と、それによる疑似細胞外マトリックスと3次元細胞組織の構築、そして、プラットフォームの生体機能再現システムとしての有用性を示すため細胞培養実験を行う。
初年度と次年度の研究成果より、厚膜感光性材料を用いることで、細胞培養に適したサイズの形状構築が可能なことを示している。最終年度は、構造に3次元的広がりを持たせるため、厚膜感光性材料の有する接着能に着目し、ポーラス材料等、異なる工程で作製された3次元構造と集積することで、従来にない複雑な形状を有する細胞培養用構造を作製する。接着性に着目した集積手法により、乱雑な3次元構造のみでなく、より高精度の構造の集積化が期待される。高精度な構造構築能を利用し疑似細胞外マトリックスを足場とした疑似毛細血管作製に取り組む。細胞組織を3次元培養する場合、細胞に十分な酸素や栄養分を供給するための流路が必要である。しかし、不要な流路を作製した場合、必要な培地量が増大し人体と等価の代謝を再現できない。そこで、疑似毛細血管を人体内と同様の寸法で配置し、3次元培養組織と組み合わせることで、高密度な細胞組織構築を試みる。毛細血管の大きさは数マイクロから十数マイクロメートル程度であり、これまでに得た知見から作製可能と考えている。
作製した構造上での細胞培養により構造の有用性を評価し、さらに、前年度作製したプラットフォームに組み合わせ、プラットフォームの生体機能再現システムとしての有用性評価を行う。培養する細胞は、ヒト臍帯静脈内皮細胞HUVECとヒト肝癌由来細胞株HepG2細胞を用いることを計画している。厚膜感光性材料の接着性に着目し作製した構造上での細胞培養と、構造を格納したプラットフォーム内での細胞培養から、集積化手法とプラットフォームの生体機能再現システムとしての有用性の両者を評価する。
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