教員の研究紹介
岩永 進太郎

生体情報システム科学専攻　Major of Biological Information Systems

• TEL : 076-445-6861
• URL : http://pse.eng.u-toyama.ac.jp/bio7A/
• Keywords : iomaterials / Biofabrication / Tissue Engineering / Chemical Engineering / Drug Delivery System

研究の背景と目的　Background and Purpose of Study

細胞や様々な生体適合性材料を用いて組織や臓器を再構築する組織工学（tissue engineering）研究が広く行われている。生体外でこれら組織を再構築することができれば、病気や怪我によって損なわれた生体機能を回復することが期待できる。また、細胞から生体組織の作製が可能となれば、動物実験の代替としてヒト組織を利用した薬物試験や動物・昆虫細胞を用いた超高感度なバイオセンサーへの応用へも展開することができる。そこで我々はバイオマテリアルや細胞を加工して組織を作製するためのパーツ（組織パーツ, bio-part）をまず作製し、これらを集積化することでより大きな組織の作製を試みる。組織パーツとしてはスフェロイド（spheroid）やゲルボール（cell-laden hydrogel ball）、ゲルファイバー（cell-laden hydrogel fiber）や細胞シート（cell sheet）等、様々な形状を利用することができるが、いずれにしても細胞培養基材や細胞外マトリクスとなる生体適合性材料が非常に大きなカギを握っている。機能性バイオマテリアルを設計・合成することで、高機能な組織パーツを作製することが可能となる。このように、モノづくりの工学と医学が融合した医工学（biomedical engineering）の分野において医療・生命科学の発展に貢献することを目指して研究を行う。

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In tissue engineering field, many researchers have tried to reconstruct living tissues or organs using cells and biomaterials. Biofabrication of living tissue-like structures in vitro would contribute to recover the vital function that was lost due to organ failure or congenital disease. Moreover, the fabrication approach of tissue-like structures enables us to develop a novel method for drug testing that would take place of animal experiment, or develop ultrasensitive bio-sensors using animal or insect cells. Therefore, we have aimed to fabricate large-scaled tissues by assembling and laminating tiny “bio-parts” composed of various types of cells and/or biomaterials. We can prepare spheroid of cell aggregation, cell-laden hydrogel micro ball, cell-laden hydrogel micro fiber and cell sheet as bio-parts. In any case, substrate or scaffold for culturing cells is one of important key factors when preparing these bio-parts. Design and synthesis of biofunctional materials could lead us to success in tissue fabrication. We believe that our concept of 3D biofabrication process would contribute to the progress of life science and biomedical engineering field.

本研究の領域横断性

本研究は医学と工学の境界領域である医工学分野での研究であり、マテリアルなどの材料工学の知見やマイクロ流体デバイスに見られる化学工学の知識、細胞および組織においては細胞工学・組織生理学などの内容を理解していなければ研究を推進できない。さらに、再構築した組織の応用として薬理試験などの薬理学、バイオセンサー等に関しては電気化学などの研究分野も関連性が強い。また、組織の保存技術も作製技術同様に重要であり、これは食品産業などの研究へ活用できる。そして天然由来バイオマテリアルを医療研究に用いることは、医療分野におけるサステイナブル資源の導入促進につながり、エコや環境などの研究分野への横断性も広く有している。

研究内容

Ⅰ.細胞担持マイクロファイバーを用いた管腔様構造の作製

より大きな組織の作製を実現するには、隅々にまで酸素や栄養素を運搬するための血管網が必要となる。そこで細胞担持マイクロファイバーを用いて灌流可能な、管腔様構造の作製を行った。マイクロファイバーはマイクロ流体デバイスを用いることにより簡便に作製することができ、内部に細胞とコラーゲンを包埋し、外側をアルギン 酸ゲルで被覆された細胞担持マイクロファイバーを作製した（Fig.1）。 ゲルで被覆された細胞担持マイクロファイバーを作製した（Fig.1）。 モデル細胞としてマウスやヒトの線維芽細胞を内包し、ファイバー形状を維持したまま内部で細胞が増殖することを確認した。得られたファイバーの外周部のアルギン酸を除去し、細胞だけの状態にした後で支持体のハイドロゲルファイバーに巻きつけ、チューブ状の構造 を作製した（Fig.2）。この構造体を重ねてその上から新たに細胞担持マイクロファイバーを巻きつけることで異なる層を有する構造体を作製することにも成功した。構造体作製後、支持体を除去することで細胞密度の高い管腔様構造の作製が可能であった。この方法を繰り返すことで、培養液の灌流可能な管腔様構造を有するマクロ組織を作製できると期待される。

Fig. 2 Reeling-based 3D biofabrication of tubular structure.

Ⅱ.DDS作用を有するファイバーバンドル化剤の開発および神経束様構造の作製

生体にはファイバー状の構造体はいくつかあるが、中でも神経束や筋束など、ファイバーが束になった束構造体も見受けられる。そこで、神経幹細胞を内包した細胞担持ファイバーを束ね、神経束様3次元構造体の作製を行った。アルギン酸に被覆された細胞担持ファイバーは表面が負電荷を有しているため、正電荷を有するキトサンを用いることで静電相互作用により速やかにファイバーを束ねることが可能であった（Fig.4）。 このキトサンを疎水性アミノ酸で修飾することで両親媒性化し、タンパク質など成長因子の徐放性（Drug Delivery System; DDS作用）を付与することに成功した。両親媒性化キトサンと未修飾キトサンに成長因子を混合し、それぞれの溶液を用いて神経幹細胞担持ファイバーを束ねて 培養した。培養8日目には両親媒性化キトサンで束ねた構造体において細胞の増殖が顕著であったことから、疎水性アミノ酸の修飾がDDS作用に有効であったことが確認された。この方法を利用することで、少ない増殖因子で効率的に細胞を増殖させながら束構造体類似組織を作製できると期待される。

3） 超高速リモデリングを目指す骨組織再生のための組織パーツ

骨の損傷には主にハイドロキシアパタイト（HA）が用いられるが、生体骨に置換される（骨リモデリング）までに長い時間が必要となる。そこで、骨リモデリングを高速に実現するために、カルシウム沈着を促進するハイドロゲル材料を作製し、これらを微小なボール状に形成して細胞と組み合わせることで骨様組織の作製を試みた。ハ イドロゲル材料にはゼラチンを選択し、リン酸基およびシラン基を導入した。作製したゼラチンハイドロゲルを擬似体液に浸漬したところ、表面にリン酸カルシウムの結晶が沈着することが明らかとなった（Fig.5）。また、ハイドロゲル表面でラット骨芽細胞を培養し、骨分化誘導を行ったところ、細胞の表面にわずか1日でカルシウムの沈着が観察された。またマイクロ流体デバイスを用い、このゲル材 料でハイドロゲルボールを作製した後に骨芽細胞と培養することで3次元骨様組織を作製することができた。この方法により、生体内で高速にリモデリング可能な骨様組織作製のためのbio-partを提供することが可能になると期待される。

Fig. 5 Concept of rapid bone remodeling with multi-modified gelatin hydrogel promoting crystallization of calcium phosphate.

参考文献

1. Bioprinting with pre-cultured cellular constructs towards tissue engineering of hierarchical tissues, International Journal of Bioprinting, 1, 39-48 (2015)
2. Facile fabrication of　uniform size-controlled microparticles and potentiality for tandem drug delivery system of micro/nanoparticles,Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 109, 301-306 (2013)
3. Meter-long cell-laden microfibers exhibit tissue morphologies and　functions, Nature Materials, 12, 584-590 (2013)