インタビュー：幹細胞研究のためのバイオリアクターと浮上し、修正3D -足場

私の名前はKarlanです。生物界面研究所で生物物理学者として勤務しています。カリフォルニア工科大学において、私たちは機能的組織の培養および幹細胞研究のためのバイオリアクターと表面修飾された三次元スキャフォールドの開発を行っており、主に細胞と人工環境との相互作用に関心を持っています。2003年のNatureのエディトリアルでは、「フラット生物学（flat biology）」とは何かという問いが投げかけられましたが、この言葉にはどのような意味が込められているのでしょうか。

従来、主に単層培養を中心とした多くのin vitro培養系には、例えば、分化した初代細胞の寿命が比較的短いことや、培養中に脱分化が起こるといった欠点がありました。これは、細胞が臓器特異的な機能の大部分を非常に急速に喪失することを意味します。そのため、in vitroにおいてこれらの細胞により適した条件を再現すべく、従来の単層培養に対して多くのさまざまな改良や適応が行われてきました。

これには、培地の組成や、細胞が主に単層を形成する培養容器のコーティング処理が含まれます。これらのアプローチはすべて、細胞とマトリックスの相互作用および細胞間コミュニケーションの重要性を示しています。もう一つの重要な側面は、細胞特有のコンテキストの構築であると考えられ、これは例えば、生体内の多くの細胞に共通する特徴であるギャップ結合複合体によって実現されます。

従来の単層培養では、ギャップ結合を介した細胞間相互作用が急速に失われます。長年、いわゆるステロイド法を用いることで、組織のような細胞配列をin vitroである程度再構築することが可能であるとされてきました。

当研究室での例では、成体のru肝細胞であっても、これらの凝集体においてステロイドを合成でき、少なくとも数週間にわたって生存可能であることを示しました。肝細胞同士が密接に接触し続けることで細胞間コミュニケーションが促進され、その結果、肝細胞特異的な機能が安定化します。しかし、この従来の三次元培養法にはいくつかの欠点があることも分かりました。

凝集体のサイズは極めて重要です。凝集体の直径が大きいと壊死を誘発する可能性があり、多くの場合、培地量に対する細胞比率が不適切になります。また、せん断力やスピナークロージャーによる培養も問題となることがあります。

生物の器官や組織は、非常に高い細胞密度などの特徴を持つほか、これらの組織層を介した物質の指向性のある能動輸送も重要な特性となっています。したがって、現実的な器官型in vitro組織モデルは、こうした天然の構造を可能な限り忠実に再現する必要があります。そして、このようなシステムの制限における不可欠な決定要因となるのが、培地量と細胞容量の適切な比率です。

以前に述べたように、細胞凝集体の三次元培養用にサイズが均一な容器を提供するため、精密に微細構造化されたポリマー足場状の適切な細胞ハウジングを設計しました。ポリマー足場には、PMMA（ポリメチルメタクリレート）またはPC（ポリカーボネート）を優先的に使用します。これは1平方センチメートルの微細構造化された平面デバイスで構成されており、1,000個以上のこれらの容器が高密度に配列されています。

細胞凝集体の三次元培養において、本手法は数週間にわたる3D細胞培養に適していることが示されています。また、アレイ内のこれらの小さな立方体状容器は、それぞれ一辺の長さが約300 Micrometersです。このスキャフォールドおよびその周辺部、すなわちインキュベーションチャンバーには特別な設計がなされています。

ector培地およびガス供給系により、異なる培地供給モードが可能です。1つ目はスーパーフュージョン（superfusion）で、組織の両側に栄養培地が個別に供給されます。2つ目はパーフュージョン（perfusion）です。

これにより、培地流が組織層を浸透するように強制されます。灌流モードは、生体内の血管新生をよりよく模倣した条件を作成するために使用できますが、灌流と表面灌流の混合モードも可能です。これまで、異なる世代のセルチップが開発されてきました。

各世代は、特定の設計を用いることで、あらゆる特殊なアプリケーションのニーズに対応させることができます。例えば、シングルおよびダブルシップバイオリアクターの設計に加え、個別にアドレス可能なマルチタイター配置や、高度に並列化されたバリアンスなどが構築されています。これらの異なる形態の最終世代のスケールアップ版として、いわゆるマイクロ熱成形容器に関する特定の技術が開発されました。これにより、これらの3D成形容器の全表面を修飾できるという追加の可能性が提供され、シグナリング分子を用いたサブミクロンスケールの表面パターニングまでもが可能になります。

また、センサーや信号電極を組み込むことも可能です。適用範囲は基礎研究や細胞生物学から毒性学、薬理学まで幅広く、ハイスループットスクリーニングへの適用も可能です。最後に非常に重要な点として、当社の最新世代のマイクロ熱成形チップは、安価な量産プロセスを可能にするよう最適化されており、したがって他の研究室での利用にも適しているという事実が挙げられます。