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研究プロジェクトPROJECT


新学術領域研究 バイオアセンブラ (松崎 典弥)

事業名: 独立行政法人日本学術振興会 新学術領域研究 (研究領域提案型)
研究課題: インクジェットLbL法による多機能性3次元皮膚モデルの高速構築と複合的機能発現
研究代表者: 松崎典弥
研究期間:平成26年度〜27年度(2年)

 山中教授によるヒト人工多能性幹(iPS)細胞の樹立により、iPS細胞の再生医療や創薬・化粧品分野の効果・毒性判定への応用が期待されている。これらの応用を実現化するためには、生体外でヒト組織・臓器に類似した三次元組織体を構築する必要があるが、iPS細胞技術だけでは不可能である。つまり、iPS細胞技術とは別に、様々なヒト細胞を三次元的に組織化する「三次元組織構築技術」を確立することが重要である。米国では、既にハーバード大学Wyss Instituteにアメリカ食品医薬品局(FDA)と国立衛生研究所(NIH)の巨額の研究費が投じられ、「Organ on a chip」という、動物実験に代わるヒト細胞のチップを用いた医薬品評価を実現するプロジェクトが進行している(D. E. Ingber et al., Science 328, 1662 (2010))。iPS細胞で優位に立った日本がそのリードを維持して激しい国際競争に勝つためには、国際競争力に優れた普遍性の高い三次元組織構築技術の確立が急務である。
 特に、三次元組織構築技術の開発と評価試験法の確立が急務の課題として求められているのは化粧品分野である。EUでは、2003年3月に化粧品指令7次改正が発効され、EU域内での動物実験の禁止と動物実験代替法の開発が求められ、2013年3月11日より全ての評価試験において動物実験が禁止された。国内でも資生堂鰍ニ潟}ンダムが動物実験の廃止を既に決定している。この動物実験代替の流れは化粧品だけでなく創薬分野にも波及しており、日本製薬工業協会(製薬協)は、創薬研究における動物実験の減少と代替法の活用を推進している。
 2007年に、EPISKINなどの培養表皮モデルを用いたin vitro皮膚刺激性試験が欧州代替法評価センター(ECVAM)にて承認されたが、適用範囲が極めて限定的であり、強刺激試験での細胞生存率しか評価できない。既存の皮膚モデルは、構造が不均一で再現性に乏しく、また、血管、リンパ管、免疫細胞などの附属器を有しておらず、アレルギー反応などの微小応答の評価が困難である。従って、附属器を有し、アレルギー反応や炎症応答、脈管応答などの機能を複合的に評価可能な「多機能性の3次元皮膚モデル」の構築が急務の課題である。
 当研究者は、細胞膜表面のマイクロ環境を制御し、機能発現に重要な役割を果たしている細胞外マトリックス(ECM)に着目し、ナノ薄膜による細胞界面の制御と三次元組織体を構築する革新的手法を考案した。具体的には、細胞膜表面に数nm〜数十nmのナノECM薄膜を形成する手法である。これまで、フィブロネクチン(FN)−ゼラチン(G)薄膜を細胞表面にわずか6 nm形成することで、細胞間の接着を誘起し、複数種類の細胞で構成される三次元組織体の構築を初めて実現した(「細胞積層法」、(Angew. Chem. Int. Ed. 46, 4689 (2007) (IF2012=13.734))(図1)。また、粒子状態の細胞表面にFN-Gナノ薄膜を形成して細胞間接着を三次元的に誘導することで、1日で20層以上(>100 μm)の組織体構築を実現した(「細胞集積法」、Adv. Mater. 23, 3506 (2011) (IF2012= 14.829))も考案した。血管内皮細胞やリンパ管内皮細胞をサンドイッチ培養することで毛細血管・リンパ管構造の構築にも成功している(図1)。さらに、インクジェットプリントを用いた細胞プリントによる三次元組織チップ構築の基礎技術の確立に取り組み、400個のマイクロ三次元組織体を1枚のチップに集約した「三次元組織チップ」を構築し、薬剤応答評価に有用であることを見出した(Adv. Healthcare Mater. 2, 534 (2013)、挿絵に採用)(図1)。本細胞プリント技術をさらに改善することで1.6 ± 0.7個/滴という極めて高い精度で細胞の三次元配置を制御することに成功し、「1細胞レベルでの精密な立体構造制御」の基礎技術を確立した(最先端・次世代研究開発支援プログラム)。

           図1. 細胞積層法、細胞集積法、細胞プリント法のイメージ。

 本研究では、「細胞積層法、細胞集積法、細胞プリント法」を活用した「多機能性3次元皮膚モデルの高速構築と複合的機能発現」を目的とする。具体的な内容は以下のとおりである。

i) 1細胞レベルで制御された多機能性3次元皮膚モデルの高速構築
 インクジェットプリントを用いて免疫担当細胞、毛細血管・リンパ管構造を有する多機能性皮膚モデルを構築する。細胞集積法で確立した毛細血管・リンパ管網を有する皮膚モデルの手動構築(図1)を細胞プリント技術に適用し、高速構築の実現を目指す。具体的には、24~96ウェルに分化誘導前の皮膚構造を数時間〜1日で作製することを目標とする。

ii) 多機能性皮膚モデルを用いた複合的機能発現
i)で得られた多機能性皮膚モデルを用いて、複合的な機能発現を明らかにし、機能性皮膚モデルとしての有用性を検証する。具体的には、「薬剤の経皮吸収から毛細血管網への移行」や「樹状細胞による免疫源の取り込みと活性化樹状細胞のリンパ管への移動評価」、「がん細胞の浸潤と血管・リンパ管への転移」などの複合的な機能評価を達成する。











                                           
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