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実際の臓器と似た構造の「血管」がある組織を人工的に作る技術を開発-産総研

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2020年04月16日 PM12:00

3次元組織に送液可能な主血管、毛細血管を作ることは困難

(産総研)は4月14日、人工組織に大きな血管()とそこから枝分かれする毛細血管を作製する技術を開発したと発表した。これは、同研究所細胞分子工学研究部門ステムセルバイオテクノロジー研究グループの木田泰之研究グループ長、森宣仁研究員、赤木祐香研究員、髙山祐三主任研究員によるもの。研究成果は、「Scientific Reports」に掲載されている。


画像はリリースより

医薬品開発、、がん研究といった分野で、細胞と組織ゲルを組み合わせてヒトの臓器や腫瘍を模倣する人工組織「」が注目を集めている。3次元組織は医薬品の検査や、失った臓器・組織の置き換え、抗がん剤の試験などへの応用が期待されている。しかし、これらの3次元組織に、実際の組織にある動脈のように送液できる大きな血管(主血管)と、そこから枝分かれする毛細血管を作ることは困難であった。このため、失った臓器・組織を治療するための大きく分厚い3次元組織を作って効率よく酸素と栄養を供給したり、医薬品の試験のため3次元組織の内側に薬剤を流し込んだりすることは難しかった。

同研究所は、幹細胞などの研究や培養デバイスの加工技術を応用し、新しい機能を持った細胞の作製や3次元組織の開発、培養デバイスや医療機器の開発と、それらの応用を目指した研究開発を推進してきた。今回、3次元組織が持つ課題に対して、これまでの研究開発で培った技術を活用して血管作製技術の開発に取り組んだ。

開発した3次元組織は1週間程度維持、毛細血管の枝分かれも

研究グループは今回、独自開発した組織培養デバイスを用いて、3次元組織に実際の臓器と同じような主血管と毛細血管を作る方法を開発した。作成手順は、始めに、臓器の機能を担う実質細胞、血管の元になる血管内皮細胞、血管の形成を助ける間葉系幹細胞を培養皿で増やした後、コラーゲンと混ぜて培養デバイスに流し込んで3次元組織を作った。次に、この3次元組織にあらかじめ埋め込んでおいたニードルを引き抜いてトンネルを作り、そこに培養デバイスの流路から血管内皮細胞を流し込んだ。そのまま2時間程度培養し、トンネルの壁を覆うように血管内皮細胞を接着させて主血管とした。その後、培養デバイスに培養液を流しながら培養することで、主血管の周りの血管内皮細胞の活動を促進して毛細血管を作らせた。これは、培養液からの酸素・栄養の供給や、流れから受ける刺激によって血管内皮細胞が活性化されるものと考えられるという。

このようにして作製した3次元組織は、培養デバイスで培養液を流しながら1週間程度維持することができた。また、培養液を流しながら培養した3次元組織を顕微鏡で観察すると、主血管から毛細血管が枝分かれしている様子が観察された。さらに、実質細胞として肝臓に由来する細胞(肝細胞や肝がん細胞)を使うことで、組織の中で肝臓の機能を示すタンパク質の発現や、薬剤の代謝を計測できた。

この技術は細胞の種類やデバイスの形を変えることで、肝臓だけでなく膵臓や脳などのさまざまな臓器の一部を模した組織や、膵がん、脳腫瘍などを作ることができるという。今後は、より大きな組織(臓器)の作製や、がんモデルでの抗がん剤の評価、また、iPS細胞由来の細胞を用いた組織の大量生産・高機能化や、他のさまざまな種類の細胞を材料に使って脳や膵臓、小腸を作製する予定だという。「培養デバイスの改良も推進して、安定的に長期間の組織培養を行うため、主血管を支えるステントを設けたり、デバイスの大きさや形状を変化させて、さまざまな形の3次元組織を構築することを目指す」と、研究グループは述べている。

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