生体外細胞操作による３次元生体組織の構築

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本研究では、心臓の構造の特徴である、心筋細胞が一方向に整列して結合した配向構造と酸素や栄養供給を担う毛細血管網構造を有する、3次元心筋組織を生体外での細胞操作により構築することを目的とした。生体外での細胞操作は、細胞接着性のタンパク質から成る薄膜を細胞の表面に形成する3次元組織構築技術、材料や細胞をインクとすることで立体造形を行う3Dプリンターの技術を用いた。昨年度は、生体外細胞操作技術を用いて、目的である配向構造を有し、かつ毛細血管構造を有する3次元心筋組織の構築を達成した。また、生体材料であるコラーゲンを用いた培養容器を開発することで、3次元心筋組織の収縮能力の向上を見出した。その結果を踏まえて、本年度は、インクジェット3Dプリンターを用いることによって、より心臓の構造に近い、配向構造を有する3次元心筋組織を1平面に並列させた心筋組織の構築に取り組んだ。インクジェット3Dプリンターのインク材料として、ゲル化能力に優れ、細胞毒性を示さない、アルギン酸ナトリウムを使用した。アルギン酸ナトリウムを粘度調整した塩化カルシウム溶液に吐出することで、心筋組織を配向させるパターンを持つ立体造形物を構築した。この構築物をコラーゲンゲルと組み合わせることで、底面は細胞接着性を示すコラーゲンゲル、壁面は細胞接着性を示さないアルギン酸ゲルの鋳型を作製した。ここに、細胞外マトリックスをコーティングしたiPS細胞由来の心筋細胞と心筋線維芽細胞を播種、培養を行うことで、配向構造を有する3次元心筋組織が1平面に並列した3次元心筋組織の構築を達成した。この研究結果は心臓の機能発現に重要な構造を再現するものであり、本研究は再生医療や創薬研究に向けた心臓モデルとしての応用や、臓器形成や生命現象の解明のためのモデルとしての応用に貢献することが可能である。