本研究は、脂肪由来の幹細胞球体と3DプリントされたGelMAスキャフォールドを用いた再現可能なバイオファブリケーションワークフローを提示します。空間制御、融合能力、品質管理の指標を示し、再生医療への応用が期待される移植可能なマクロスケールの組織構造物を生み出します。
方法論記事
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本研究は、脂肪由来の幹細胞球体と3DプリントされたGelMAスキャフォールドを用いた再現可能なバイオファブリケーションワークフローを提示します。空間制御、融合能力、品質管理の指標を示し、再生医療への応用が期待される移植可能なマクロスケールの組織構造物を生み出します。
実験室間で標準化されたプロトコルが存在しないことは、実験成果の比較可能性やバイオファブリケーション技術の効率的な移転に大きな障壁となっています。厳格な生物学的標準化は再現性を高めるだけでなく、組織工学戦略の臨床応用に不可欠な国内外の規制枠組みとの整合を促進します。本研究では、hADSCの単層培養、球状体形成、ゼラチンメサクリロイル(GelMA)足場の3Dプリント、球状体バイオアセンブリを含む標準化されたバイオファブリケーションワークフローを紹介します。品質管理指標は再現性を確保するために統合されました。3DプリントされたGelMA足場は、2つの中央孔を持ち、それぞれ数百個の球体を収容できる構造でした。印刷精度は、スキャフォールド寸法とCADモデルを比較することで確認され、わずかな有意でない偏差がありました。hADSCはアガロースマイクロモールド内で24時間以内に均一な球状体を形成しました。足場孔に種子をまくと、球体は72時間にわたって連続的に融合し、共焦点イメージングによってマクロスケールの構造が確認されました。足場の設計と印刷の精度により構造的支えが保証され、球状の均一性により構造の予測可能な形成が可能となりました。足場孔内で球体の融合により、足場の有無にかかわらず移植に適した組織構造が生まれ、このバイオアセンブリ手法の多様性が強調されました。これらの発見は、生物的標準化が生体組織構造物のバイオファブリケーションの再現可能な方法論を推進する上で極めて重要な役割を担い、将来の再生医療における臨床応用に有望な示唆を与えています。
バイオアセンブリとバイオプリンティングは、組織工学における補完的なバイオファブリケーション手法であり、自動化技術1,2,3,4を用いてマクロスケールで複雑な組織や臓器を構築することに重点を置いています。
球体は主にバイオアセンブルアプローチの構成要素としてバイオファブリケーションに組み込まれました。球体は、細胞と周囲の組織微小環境との相互作用を生体内で再現する微小組織と考えられています。球状形成に用いられる細胞源の中で、脂肪由来幹細胞(ADSC)は分離の容易さ、長期培養維持、分化の可能性6,7,8で際立っています。
球体はより大きな集合体を形成する固有の能力を持つため、バイオアセンブル法を受けるとより複雑な組織構造を生成することができます。この融合駆動型組織は幹細胞球体の再生および分化能力を高めます9,10。
球状体バイオアセンブリはバイオマテリアルによって支援または誘導されることもあり、この戦略はスケーラブルで自動化されたバイオファブリケーションに適しています12,13。
既存のバイオファブリケーション戦略は、足場を使わない球状体組み立てアプローチとハイドロゲル埋め込みバイオプリントシステムに大きく分類できます。足場フリー法は、細胞間相互作用を活用し、自然発生的な細胞自己組織化と球体間融合のみに依存しています。しかし、外部の建築的誘導や幾何学的な閉じ込めがないため、これらのアプローチは空間制御が低下し、構造的予測可能性も低い5,15。これに対し、ハイドロゲルベースの封装アプローチは細胞をバルク行列内に埋め込み、構造的支持とあらかじめ定義された構造を提供します。16,17は、融合初期段階での直接的な細胞間接触を部分的に制限し、細胞移動の動態に影響を与える可能性があります。この枠組みでは、ゲラチンメサクリロイル(GelMA)などのプリント可能なバイオマテリアルが細胞接着モチーフを示し、球状体バイオアセンブリを促進する足場として機能する可能性があります。3DプリントされたGelMA足場は、球体に幾何学的な閉じ込めと空間的誘導を提供し、融合を通じて制御された組織形成を促進し、より大きく構造的に定義された構造体に誘導すると仮説されています。このアプローチは、スキャフォールド誘導組織と定義されたハイドロゲル構造内での球状体融合を組み合わせることで、空間制御と構造再現性を向上させることを目的としています。しかし、現在のワークフローはプロセスの標準化や構造的バイオファブリケーションパラメータに焦点を当てており、長期的な組織成熟、機能的分化、大規模な自動化生産には対応していません。
生物学的標準化は再現性と拡張性を確保するだけでなく、バイオファブリケーション組織の機能的完全性を維持するためにも不可欠です19,20。したがって、工学的、幾何学的、構造的パラメータの正確な制御が極めて重要であり、これらの要因は組織機能や成熟を含む生物学的パフォーマンスに直接影響します5,21。標準化され再現可能なバイオファブリケーションのワークフローを提示し、以下の重要なステップを含みます:(1) ASC単層培養;(2) ASC球状体形成;(3) GelMAスキャフォールドの3Dプリント;および(4)球状体バイオアセンブリ(図1)。このワークフローの中で、球状体の均一性と球度、印刷の忠実度、足場形状の完全性など、客観的な品質管理指標が確立されました。
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試薬および使用機器は 材料表に記載されています。
1. アガロースマイクロモールドの準備およびGelMA 3Dプリント足場の製作
2. hADSCの調製および球状体形成
注: 市販のヒト脂肪由来間葉幹細胞(hADSC)を細胞特異的培地で培養し、製造元の推奨に従い80%〜90%の合流度で配管しました。このプロトコルでは細胞が第7号まで使用されました。すべての生物廃棄物は、処分前に適切に除染または滅菌され、機関のバイオセーフティガイドラインに従って取り扱われなければなりません。その後の共焦点可視化のために、単分子層は球状体形成前に蛍光染料で標識し、製造元の推奨に従って培養する必要があります。球状形成はラベル付けから30分後に開始されることがあります。
3. 球状体融合およびバイオアセンブリのためのGelMA足場への球体シーディング
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ヒト脂肪由来幹細胞(hASCs)を単層で培養した結果(図2C)、アガロースマイクロモールドにシードされてから24時間以内に球状体を形成させることに成功しました(図2D)。その結果生まれた球体は、コンパクトで明確な形態を示しました。形態計測解析では、24時間時点で平均直径239.8μm±87.0μm(図2E)、球面度の値はほぼ1(0.947±0.123)で、均一かつ対称な球体を示しました。
3Dプリント足場のCADモデルは、足場の全直径の約3分の1を占める2つの孔で設計されています(図3A,B)。モデルはスライスされ、対応するGコードが生成されました。Gコードファイルが生成されると、印刷ソフトウェアのRepetier Hostに読み込み、スライスさ...
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本研究の結果は、品質管理指標を標準化されたバイオファブリケーションワークフローに統合し再現性を確保していることを示しています。事前に確立された設計に基づく3Dプリント足場の使用により、球状体バイオアセンブリの構造的支えが提供されます19,23。概念実証として、高密度球状荷重と誘導バイオアアセンブリを支える寸法の2つの中央多孔質領域を持つ堅固な足場が設計されました。
最初の品質管理チェックポイントとして、球状体測定が評価され、3DプリントされたGelMAベースの足場にシードされました。アガロース微成形ハイドロゲルを用いて、24時間後に均一な球状体を生成しました(図2D)。形態計測解析では、一貫した直径と高い球面度の値が示されました(図2E,F)。これ...
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著者らは利益相反を報告していません。
図のイラストについては、BioRender.com(https://BioRender.com/x1lxn0y)が掲載されています。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 1x Phosphate-Buffered Saline (PBS) | 実験室で調製 | - | |
| 593iCAN 3D Bioprinter, Model 593 iCan2X Printhead | 593iCAN | - | - |
| Agarose | Sigma-Aldrich | 16500-500 | - |
| Ascorbic Acid | Sigma-Aldrich | A4544-100MG | - |
| Carl Zeiss Microscopy GmbH Primovert | Zeiss | - | 415510-1101-000 |
| Celldiscover | Zeiss | - | LSM 900 with Airyscan 2 |
| Celltracker | Invitrogen | C7025 | - |
| Centrifuge | Eppendorf | - | 5702 |
| Class II Biological Safety Cabinet | Streamline | - | Model SC2-4E3 |
| CO2 incubator for cell culture | Thermo Fisher Scientific | - | Series 8000 WJ |
| Conical polypropylene nozzle 0.41 mm | 593iCAN | - | - |
| Dulbecco’s Modified Eagle Medium Low Glucose | Sigma-Aldrich | D2902-10L | - |
| EDTA | Sigma-Aldrich | E9884 | - |
| Fetal Bovine Serum (FBS) | Gibco | 12657-029 | - |
| Gelatin methacryloyl gel strength 300 g Bloom, degree of substitution 60% | Sigma-Aldrich | 900622 | Lot/Batch number: MKCS2673. Documentation for each batch, including the Safety Data Sheet (SDS) and the Certificate of Analysis (CoA), can be obtained from the manufacturer’s website. |
| GraphPad Prism 6.0 software | GraphPad Inc | - | - |
| Hot plate magnetic stirrer | IKA | Z671797 | Model C-MAG HS7 |
| Human serum albumin 100 mg/ml | FUJIFILM Irvine Scientific | 9988 | - |
| ITS (Insulin-transferrin-sodium selenite) supplement 100x | Sigma-Aldrich | I3146-5ML | - |
| Lithium phenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinate (LAP) | Sigma-Aldrich | 900889 | |
| Luxoeo 4Z Stereozoom Microscope | Labomed | - | - |
| MicroTissues® 3D Petri Dish® micro-mold spheroids | Sigma-Aldrich | Z764019 | - |
| Penicillin-streptomycin 100x | Sigma-Aldrich | 15140122 | - |
| Poietics™ human adipose derived stem cells (ADSC) | Lonza | PT-5006 | |
| Sodium Chloride (NaCl) | Sigma-Aldrich | 71382-500G | - |
| Trypsin/EDTA | Gibco | 27250018 | - |
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