ヒトES/iPS細胞に適した3次元空間を作り出すマイクロ流体デバイスの開発に成功

ByMedtec Japan編集部

10月19日、京都大学は物質‐細胞統合システム拠点(iCeMS)の陳勇特定拠点教授、亀井謙一郎特定准教授らの研究グループが、ヒトES/iPS細胞に適した非常に小さな3次元空間を創りだすデバイスの開発に世界で初めて成功したと発表した。この研究成果はヒトES/iPS細胞から機能的な組織の作製法の開発につながると期待される。

ヒトES/iPS細胞は再生医療や創薬などで活躍する細胞として期待されているが、従来から使用されている2次元(平面)細胞培養では、目的の細胞機能を獲得することは困難であり、体内の細胞を取り巻く3次元的な環境を再現することが課題とされてきた。

今回の研究では、半導体分野などで実用化されている微細加工技術を基にした「マイクロ流体デバイス」と、温度に応じてゲルまたは液体に変化することができるヒドロゲルに着目。マイクロ流体デバイスは元々非常に小さい液滴を扱うのに適した技術であり化学合成や分離などへ応用されてきたが、近年では、細胞生物学に応用する試みが盛んに行われている。今回の研究では、ヒドロゲルを応用し、マイクロ流体デバイス内でヒトES/iPS細胞に適した3次元的な環境を創出することを目指した。

 研究内容と成果

1つのデバイスにつき2つのマイクロ流路(細胞培養チャンバ)を設置。その中央から細胞とヒドロゲルを導入する。各チャンバの端には培養に必要十分な培養液を保存するリザバーを設置している(京都大学研究発表より)
本研究で使用した熱相転移ヒドロゲル。生体適合性が高く、細胞とその培養液を混ぜたゲルの状態での培養ができる。また、培養後にゲルから細胞を回収することも容易(京都大学研究発表より)

開発したマイクロ流体デバイスは、従来の複雑で特殊な装置を必要とするデバイスではなく、極めてシンプルに、多くの生物系の研究室でも実験が可能なデザインにした(上写真

まず、3次元細胞培養を確立するために、細胞外基質として熱相転移ヒドロゲルポリマー(poly(N-isopropylacrylamide)-β-poly(ethylene glycol) (PNIPAAm-β-PEG))(上写真を使用。

このポリマーと細胞培養液を混ぜることで、ゲル中で3次元的にヒトES/iPS細胞の培養ができた(下写真)。また、このポリマーは可逆的に相転移(ゲル⇔液体)することから、培養後にデバイスを氷上に置くことで細胞をダメージなく回収できる。

3D-CEP内で3次元培養したヒトES細胞の顕微鏡写真。OCT4とNANOGで免疫細胞染色を行い、培養した細胞の未分化性を確認した。DAPIは細胞核染色(京都大学研究発表より)

次に、従来の細胞培養法(平面培養、浮遊培養)と新規3次元培養法で培養した細胞との違いを明らかにするために、細胞の機能解析や遺伝子発現解析を行った。その結果、細胞表現型としての変化はほとんど確認できなかったが、各培養法に特異的な遺伝子発現パターンを見出すことができた。

今後の展開

本成果では、ヒトES/iPS細胞の新しい3次元培養法として、これまで生体外では作製することが難しかった細胞外微小環境を創出できるマイクロ流体デバイスを開発することに成功した。今後、ヒトES/iPS細胞を始めとする細胞の機能を厳密に制御している生体内の制御機構の解明や、組織工学や再生医療の発展に貢献することが期待される。

また、本研究で開発したデバイスは、創薬スクリーニング(創薬時に、目的の効果を得られる化合物を選択する過程)にも応用することが可能。これまでの創薬スクリーニングにおける2次元培養細胞アッセイ(評価法)ではなく、より機能的な3次元培養細胞アッセイを行うことで、薬剤候補物質に対するより生体に近い細胞応答を評価することが可能になる。

さらに、この細胞外微小環境は、がん幹細胞においても非常に重要で、近年、がん幹細胞形成・維持、抗がん剤への抵抗性や、がんの再発に関与していることが示唆されている。本研究で開発した3次元培養法は、がん幹細胞研究にも応用可能であり、新しい抗がん剤の開発にも役立つと期待される。

現在、本研究で開発したマイクロ流体デバイス、3D-CEPの市販化を目指しています。創薬・診断における有用性を示すために、クレオ・バイオサイエンスなどとの共同研究によりハイスループットな3D-CEPを開発している(下写真)。

現在、共同開発により試作中のCEP3D(京都大学研究発表より)
カテゴリー: