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ヒト多能性幹細胞に適した環境を見出すナノハイブリッドデバイスの開発に成功 ~ナノテクノロジーの創薬・再生医療への新展開~

 京都大学は2017年3月17日,同大学の物質-細胞統合システム拠点(iCeMS=アイセムス)の陳勇(チェン・ヨン)特定拠点 教授,亀井謙一郎 特定准教授,眞下泰正 研究員(現 東京工業大学生命理工学研究院 助教)らの研究グループが,多種類の細胞環境を集積したデバイスの開発に成功したと発表した.この研究成果は,細胞に適した環境を見出すのに役立ち,ヒトES/iPS細胞から機能的な組織を作製するプロセス開発を大きく加速するものと期待される.本研究は,科学研究費補助金,テルモ生命科学芸術財団,文部科学省 WPIプログラムの支援を受けて行われ,原著論文は,ドイツの科学誌Smallに掲載された(注).

 ES細胞やiPS細胞などのヒト多能性幹細胞は,再生医療,創薬などへの実用化が期待されている.その実用化には,ヒトES/iPS細胞から目的の細胞・組織を自在にかつ高効率に獲得することが求められる.一方,ヒトの体内において,細胞は取り巻く環境(細胞外環境)によって機能が制御されている.細胞外環境はガス分子や圧力,コラーゲンのような細胞外マトリックス(ECM;Extra Cellular Matrices)など多くの因子によって成り立っており,目的の細胞にとって好条件の培養環境を見つけるためには,これらの因子を組合わせて様々な細胞外環境を実際に再現し,試験してみる必要がある.しかしながら,従来からのフラスコや培養皿を用いた細胞培養法では,本来の環境を創出することはできなかった.

 これに対し本研究グループは,生体内に近い環境を作りだせる「マイクロ流体デバイス」と「ナノファイバー」に着目した.マイクロ流体デバイスは数百µm幅の流路に細胞を含む培養液を流すもので,液性の環境因子や細胞間相互作用の操作ができる.ナノファイバーは直径が1nm~500nmの繊維状構造体の総称で,細胞を支える足場であるECMの3次元的ナノファイバー構造を,エレクトロスピニング法で人工的に作製できる.そこで,本研究ではマイクロ流体デバイスとナノファイバー作製技術を融合したハイブリットデバイスを開発した.このデバイスには48個の細胞培養チャンバ(微小空間)を設け,各チャンバにマイクロ流路による細胞の空間・密度制御機構と,ナノファイバーによる材料や密度などの異なる細胞足場を組合せて搭載し,48種類の細胞外環境を一つのデバイスの中に作った.

 本研究ではさらに,多様な細胞環境の中から目的の細胞機能を発揮することができるものを見つけ出す方法も開発した.この方法では,細胞を蛍光顕微鏡観察し,得られた画像に対して画像処理・統計処理を行う.細胞挙動マーカーとして,細胞内の未分化維持・自己細胞死・細胞増殖に関係する物質を蛍光染色し,画像解析によって各マーカーの発現量を評価することで,ヒトES細胞が未分化を維持したまま増殖するために最適な細胞外環境を見出すことに成功した.

 本成果により,ヒトES/iPS細胞から目的の機能を発揮する組織細胞を獲得するための最適な環境・条件を効率よく探し出すことが可能となり,今後,創薬や再生医療の発展に寄与できることを期待している.

(注)Ken-ichiro Kamei, Yasumasa Mashimo, Momoko Yoshioka, Yumie Tokunaga, Christopher Fockenberg, Shiho Terada, Yoshie Koyama, Minako Nakajima, Teiko Shibata-Seki, Li Liu, Toshihiro Akaike, Eiry Kobatake, Siew-Eng How, Motonari Uesugi, and Yong Chen, "Microfluidic-Nanofiber Hybrid Array for Screening of Cellular Microenvironments", Small, First published: 8 March 2017, DOI: 10.1002/smll.201603104