2021 Fiscal Year Annual Research Report
マイクロニードルゲル基材を用いた肝臓表面における肝組織構築
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20J40152
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
白木川 奈菜 九州大学, 工学研究院, 特別研究員(RPD)
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| Project Period (FY) |
2020-04-24 – 2024-03-31
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| Keywords | 肝臓 / 再生医療 / 組織工学 / マイクロニードル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
肝臓のドナー不足は世界的な問題となっている。体内での肝組織構築は、その解決が期待されるものの、豊富な血流を有する部位への移植と長期的な生体内培養が必須である。しかしiPS細胞等の腫瘍形成リスクを考慮すると、除去が容易な移植システムの確立が望まれる。本研究では肝臓表面に対して着脱可能な独自の移植システムを開発し、生体内において肝機能補助可能なレベルの肝組織を安全かつ低侵襲的に構築することを目的とする。マイクロニードルを有する生体適合性ゲルに肝細胞を包埋して肝臓表面に穿刺し、肝臓から肝再生を促す液性因子を拡散供給して肝組織化すると共に、除去可能であることを明らかにして安全かつ有効な肝再生医療を確立する。
具体的には、（１）マイクロニードルを有する生体適合性ゲル（コラーゲン等）をブタ肝臓やラット肝臓に穿刺し、基材の着脱や液性因子供給性能を評価することによってゲル基材の構造・組成を最適化する。（２）ゲル基材上で肝細胞を培養し得ることを明らかにすると共に、部分肝切除等で肝再生誘導したラット・マウスの肝臓表面に肝細胞固定化ゲル基材を穿刺して肝臓（ホスト）から肝再生を促す液性因子を拡散供給し、肝組織化及び作製した肝組織の除去を証明する。（３）本システムを用いて肝障害モデル（肝不全）マウスに肝組織を構築し、本技術の有効性（治療効果）及び作製した肝組織を他の肝不全マウスの移植治療に用い得ることを実証して応用展開に繋げる。
2020年度はアガーやアガロースを用いて、円柱状のマイクロニードルを作製した。2021年度は、マイクロニードルの形状の改良を行った。また、細胞外マトリックスを用いた基材作製も行った。マウス肝臓に対して開発したマイクロニードルによる穿刺を試み、開発した基材を用いて肝臓表面を穿刺し得ることが示唆された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
2021年度は自身の産休により3カ月の研究中断があった。また、新型コロナウイルス感染症対策により出張が制限され、他大学での実験の実施もできず、予定よりもやや遅れている。
2020年度はアガーやアガロースを用いて、円柱状のマイクロニードルを作製した。2021年度はアガロースだけでなく、細胞外マトリックスを用いたマイクロニードルの作製にも取り組んだ。また、肝臓へ穿刺しやすい形状となるよう、マイクロニードルの形状の改良を行った。
アガロースを用いてディスク状基材を作製し、走査型電子顕微鏡により断面を観察した。アガロースをゲル化させた後、凍結乾燥して得られた基材内部において、多孔質構造が形成されていることが確認された。また、基材のヤング率を測定したところ、肝臓のヤング率よりも十分に高いことが確認され、穿刺に十分な強度を有していることが期待された。一方、先端の尖ったニードル基材の作製に向けて、直径1.1 mm、高さ3.3 mmの円錐状の凹みを10個/cm2の密度で有するPDMS鋳型を作製した。本鋳型を用いてアガロースニードルを作製した。作製過程において、鋳型にゲルを流し込んだ後、ゲルを取り出し、高湿度下で緩やかに乾燥させることで、ニードル部分を局所的に乾燥・収縮させることに成功し、ニードル部分の強度向上が期待された。作製したニードルはマウス肝臓に対する穿刺が認められた。
さらに、より低侵襲なニードル開発を行うために3Dプリンタを用いた鋳型の作製に取り組んだ。CADにより設計を行い、3Dプリンタを用いて出力し、マイクロオーダーで先端の尖ったニードル鋳型を作製することに成功した。作製した鋳型を用いて、アガロースやゼラチンによりマイクロニードルを作製することにも成功した。得られた基材はマウス肝臓への穿刺が見られた。
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度はマイクロニードルの体内における安定性の評価、着脱性の評価を行う。また、ニードル基材に対する肝臓からの液性因子の吸い上げについて評価する。血球系の透過性や血漿成分の透過性について評価する。ニードルの形状について、サイズや密度に関して最適化を行う。組成や形状の改良を進め、肝臓表面に着脱可能なシステムを開発する。これらの検討を通して、移植後、肝臓表面から離脱可能な形状・素材でありながら、移植中は肝臓表面からの液性因子の運搬が可能となる基材の最適化を行う。
一方で、肝臓由来細胞外マトリックスを用いた肝細胞包埋用ゲルを開発し、肝細胞培養を行い、肝機能発現を評価して移植用ゲル作製法の最適化を行う。ニードルと作製した移植用ゲルを複合し、マイクロニードルを有する肝細胞移植デバイスを開発する。部分肝切除等で肝再生誘導したラット・マウス肝臓表面に肝細胞固定化ゲル基材を穿刺して肝組織構築を行い、構築した肝組織の着脱性を評価する。さらに構築した肝組織の積層を試み、構築肝組織の体積の増加を目指す。また、次年度に使用する肝障害モデルマウスの作出も行う。
2023年度は、前年度までに確立した技術を用いて、肝障害モデル（肝不全）マウスに肝組織を構築し、本技術の有効性（治療効果）及び作製した肝組織を他の肝不全マウスの移植治療に用い得ることを実証して応用展開に繋げる。具体的には、重度の肝障害（薬剤性肝硬変）モデルマウスに対し、ラット・ヒト初代肝細胞、もしくはヒトiPS細胞由来分化肝細胞を移植する。移植実験の際には経時的に血中成分、肝組織の構造、機能発現、及び増殖性の評価を行う。さらに、移植肝組織の積層や、マウス肝重量の5%まで増殖させた肝組織を他の肝障害モデルマウスに移植することによる治療効果も評価する。
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Research Products
(1 results)
