ウィスコンシン大学マディソン校の研究者らは、生物の自然の脳組織のように振る舞う脳組織を世界で初めて3Dプリントで作成することに成功した。

研究者らによれば、プリントされた脳組織は “典型的な脳組織のように成長し、機能する”ことができるという。

これは、アルツハイマー病やパーキンソン病など、神経疾患や神経発達障害の高度な解決策の開発に向けた大きな飛躍とをもたらすものと期待される。

ウィスコンシン大学マディソン校ウェイスマンセンターの神経科学・神経学教授であるSu-Chun Zhang氏は、「これは、ヒトの脳細胞や脳の一部がどのようにコミュニケーションしているかを理解するのに役立つ、非常に強力なモデルになるでしょう。幹細胞生物学、神経科学、そして多くの神経疾患や精神疾患の病態の見方を変える可能性があります」と語った。

可能な限り本物に近い臓器を作ることは、病気の病態を探る研究や新薬のテストに不可欠である。脳は、研究室で成長させたニューロンが機能的な結合を形成する必要があり、脳組織は複雑だが繊細な構造を支える必要があるなど、特別な課題を抱えている。

研究者らは、神経前駆細胞（NPC）が成熟し、構造を維持しながら層内・層間で結合（シナプス）を形成する層状神経組織の構築を目指した。研究チームは、フィブリノゲンとトロンビンを主成分とするフィブリンハイドロゲルを「バイオインク」、すなわち組織印刷に使用するバイオマテリアルとして選択した。フィブリノゲンとトロンビンはともに血液凝固に関与している。

フィブリンゲルは粘度が高く、印刷が困難であったため、研究者らはこれをヒアルロン酸ハイドロゲルと混合した。別の水素を加えることで、このバイオインクは以前使われていたものより柔らかくなった。

研究者らは、従来の3Dプリンティングの手法である垂直方向に層を重ねる方法ではなく、厚い層に印刷された硬いバイオインクを使用し、細胞注入ゲルの薄い層またはバンドを別の層の隣に水平方向に印刷することによって、パターン化された組織を作製した。印刷したバンドが混ざらないようにするため、混合物を堆積させた直後にトロンビンを架橋剤として使用した。

印刷された細胞は指定された層内にとどまったが、ニューロンは印刷後2週間から5週間で層内および層間に機能的シナプス結合を形成した。

「この組織は、まだ結合するのに十分な構造を持っていますが、ニューロンを互いに成長させ、会話を開始させるのに十分な柔らかさを持っています。私たちの組織は比較的薄いままなので、ニューロンが成長培地から十分な酸素と十分な栄養を得るのが容易なのです」と、Zhang氏は語った。

研究者たちは、バイオインク中の細胞の組み合わせを変えて、脳組織の印刷を試みた。

開発者たちは、周囲の成長培地から神経細胞に最適な酸素と栄養の摂取を確保するため、組織の薄さを意図的に維持したと述べている。

多層印刷によって細胞が結合を形成し、人間の脳で観察されるのと同様のネットワークが形成された。

これらのネットワークの中で、ニューロンは互いに信号を送り合うことで活発にコミュニケーションをとっているように見えた。このコミュニケーションは、ニューロン間のシグナル伝達を助ける化学伝達物質である神経伝達物質を介して行われる。

「大脳皮質と線条体を印刷したところ、驚くべきことがわかりました。脳のさまざまな部分に属するさまざまな細胞をプリントしたときでも、それらは非常に特殊かつ具体的な方法で相互に会話することができました」と、Zhang氏は説明する。

著者らは、この方法が精密で、細胞の種類や配置を制御できることを強調している。このような特徴は、脳研究のために作られたミニチュアの実験用器官である脳オルガノイドにはない。また、この印刷法は、組織を健康に保つための特別な装置や培養法を必要としないので、多くの研究室が利用できるはずである。

「私たちの研究室は、いつでもどんな種類のニューロンでも作ることができるという点で、非常に特殊なのです。そして、ほぼいつでも、好きな方法で、それらを組み合わせることができるのです。デザインによって組織をプリントすることができるので、ヒトの脳のネットワークがどのように機能しているかを調べるための明確なシステムを持つことができます。特定の条件下で、神経細胞が互いにどのように会話しているのかを具体的に調べることができるのです」。

プリントした組織内で特定の細胞の向きができるように、バイオインクと装置を改良する計画もある。

「今のところ、私たちのプリンターはベンチトップで商業化されたものです。特定のタイプの脳組織をオンデマンドでプリントできるように、いくつかの特殊な改良を加えることができます」。

研究者らによれば、この印刷脳組織は、ダウン症における細胞間シグナル伝達の研究、健康な組織とアルツハイマー病に罹患した組織との相互作用の研究、新薬候補のテスト、あるいは単に脳の発達を観察するために使用できる可能性があるという。

「これまでは、一度に一つのことを研究することが多かったので、重要な構成要素を見逃してしまうことが多かったのです。脳はネットワークで動いています。細胞は単体では動きません。細胞は互いに話し合っているのです。私たちの脳はこのように機能しており、それを本当に理解するためには、このようにまとめて研究する必要があるのです」と、Zhang氏は説明する。

ヒトの脳組織に見られる高度なコミュニケーションとネットワークの発達をエミュレートするこの3Dプリントアプローチは、脳機能とその障害に関する洞察を提供する大きな可能性を秘めている。

論文

• Cell Stem Cell: 3D bioprinting of human neural tissues with functional connectivity

参考文献

• University of Wisconsin-Madison: UW–Madison researchers first to 3D-print functional human brain tissue

研究の要旨

ヒトの神経回路網がどのように機能しているかを調べるには、神経回路の動的機能評価に適した信頼性の高いヒト神経組織がないことが障害となっている。われわれは、市販のバイオプリンターを用いて、ヒトの神経細胞タイプを定義した組織を任意の寸法で組み立てる3Dバイオプリンティング・プラットフォームを開発した。印刷された神経細胞前駆細胞はニューロンに分化し、組織層内および組織層間で機能的な神経回路を数週間以内に特異的に形成した。このことは、皮質から線条体への投射、自発的シナプス電流、神経細胞の興奮に対するシナプス反応によって証明されている。印刷されたアストロサイト前駆細胞は、精巧な突起を持つ成熟アストロサイトに成長し、機能的なニューロン-アストロサイトネットワークを形成する。このようにデザインされたヒト神経組織は、ヒトの神経ネットワークの配線を理解したり、病的プロセスをモデル化したり、薬剤テストのプラットフォームとして役立てたりするのに有用であろう。