3Dプリント技術を用いた骨格筋血管化研究の応用

学術的背景

骨格筋組織は人体において最も重要な組織の一つであり、その機能は筋管（myotubes）と血管ネットワークの密接な関係に依存しています。血管ネットワークは骨格筋に酸素と栄養を供給するだけでなく、筋損傷の修復過程においても重要な役割を果たします。しかし、骨格筋の損傷が20％を超えると、従来の自家筋肉移植治療の効果は限定的で、失敗率が高くなります。近年、組織工学の発展により、特に三次元（3D）プリント技術の応用によって、血管ネットワークを持つ骨格筋組織の構築が可能になりました。しかし、体外で骨格筋と血管ネットワークの相互作用を正確に制御する方法は、依然として解決すべき課題です。

本研究は、3Dバイオプリント技術を用いて、骨格筋と内皮細胞（endothelial cells）の血管化過程における複雑な相互作用を探り、時間と空間的に正確に骨格筋血管化を制御する方法を開発することを目的としています。バイオミメティック特性を持つ血管化骨格筋組織を構築することで、研究チームは将来の組織工学と再生医学に新たな視点を提供することを目指しています。

論文の出典

本論文は、Minxuan Jia、Tingting Fan、Tan Jia、Xin Liu、Heng Liu、およびQi Guによって共同で執筆され、研究チームは中国科学院動物研究所、北京幹細胞・再生医学研究院、および首都医科大学附属北京積水潭病院に所属しています。論文は2024年9月26日に『Bio-design and Manufacturing』誌にオンライン掲載され、DOIは10.1007/s42242-024-00315-0です。

研究のプロセスと結果

1. 細胞培養とバイオインクの調製

研究チームはまず、マウス筋芽細胞系C2C12とヒト臍帯静脈内皮細胞（HUVECs）を用いて、それぞれの細胞を培養しました。C2C12細胞は増殖培地で培養され、HUVECsはゼラチン（gelatin）でコーティングされた培養皿で培養されました。3Dプリントを行うために、研究チームは2種類のバイオインクを調製しました。1つはフィブリノーゲン（fibrinogen）とゼラチンからなるC2C12細胞負荷インクで、もう1つはHUVECs負荷のフィブリノーゲン/ゼラチン混合物（HFG）です。

2. 3Dプリントと骨格筋の構築

研究チームは3Dバイオプリンターを使用し、C2C12細胞負荷のバイオインクを骨格筋束としてプリントしました。プリントプロセス中、温度と圧力を調整して、バイオインクがゲル状態を維持するようにしました。プリント後、骨格筋束は事前にプリントされたスキャフォールドに固定され、トロンビン（thrombin）を用いて架橋されました。実験結果から、プリント後の骨格筋束は培養初期に幅が大きく変化しましたが、細胞生存率は90％と高く、3Dプリントが細胞に与える影響は小さいことが示されました。

3. 血管化骨格筋の構築

血管化骨格筋を構築するために、研究チームは2つの戦略を設計しました。1つはHUVECsを骨格筋束表面に単層で接着させる方法で、もう1つはHFGを骨格筋束の外部に包み込む方法です。実験の結果、単層接着したHUVECsは培養過程で徐々に剥がれ、安定した血管ネットワークを形成できませんでした。一方、HFGを包み込む方法では、HUVECsが骨格筋束の外部で長期培養され、徐々に血管ネットワークを形成することができました。さらに、研究チームは、骨格筋分化の後期にHUVECsを導入することで、筋管の形成と血管ネットワークの発達が著しく促進されることを発見しました。

4. 実験結果と分析

免疫蛍光染色と定量逆転写ポリメラーゼ連鎖反応（RT-qPCR）を用いて、研究チームは血管化骨格筋の分化度と血管化レベルを評価しました。結果から、骨格筋分化の第7日にHUVECsを導入したグループ（DM7+6グループ）では、筋管の長さと核の数が著しく増加し、筋管の分化がより成熟していることが示されました。また、血管化マーカーCD31とVE-cadherinの発現も他のグループよりも高く、血管ネットワークの形成がより完全であることが示されました。

結論と意義

本研究は、3Dバイオプリント技術を用いて、バイオミメティック特性を持つ血管化骨格筋組織を成功裏に構築しました。研究結果から、骨格筋分化の後期に内皮細胞を導入することで、筋管の形成と血管ネットワークの発達が著しく促進されることが明らかになりました。この発見は、将来の組織工学と再生医学に新たな視点を提供し、特に大規模で生理学的に整列した骨格筋の構築において重要な応用価値を持ちます。

研究のハイライト

1. 革新的な方法：本研究は初めて3Dバイオプリント技術と3Dモデリング技術を組み合わせ、骨格筋と血管ネットワークの共構築を実現しました。
2. 時間的制御：血管ネットワークの導入時期を正確に制御することで、骨格筋の分化プロセスを最適化することに成功しました。
3. バイオミメティック特性：構築された血管化骨格筋組織は高度なバイオミメティック特性を持ち、将来の臨床応用の基盤を築きました。

その他の価値ある情報

研究チームはまた、骨格筋束の外部にHFGを包み込むための「三合一」モールド（three-in-one mold）を開発しました。このモールドはポリジメチルシロキサン（PDMS）で作られており、優れた柔軟性と疎水性を持ち、フィブリンの接着を効果的に減らし、操作と脱型を容易にします。

本研究は、骨格筋血管化の新たな研究方法を提供するだけでなく、将来の組織工学と再生医学に新たな道を開くものです。