腫瘍モデルの3Dバイオプリンティングとその応用
3Dバイオプリンティング腫瘍モデルとその潜在的な応用：レビュー
学術的背景
がんは、世界中で人間の死亡の主要な原因の一つであり、その制御不能な異常増殖、急速な成長、転移、および高い異質性により、従来の二次元（2D）細胞培養や動物モデルは、腫瘍診断および治療研究における臨床転換率が極めて低い。これらの制限を克服するために、研究者はより適切な腫瘍モデルの開発を緊急に必要としている。近年、3Dバイオプリンティング技術は、細胞、生体分子、および基質成分の空間分布を正確に制御することで、実際の人体腫瘍の空間組織、細胞資源、および微小環境特性（低酸素、壊死、遅延増殖など）をより忠実に再現する腫瘍モデルを作成するための新興技術として注目されている。このレビュー論文は、3Dバイオプリンティング技術の腫瘍モデル構築への応用、特に膠芽腫、乳がん、肝がん、腸がん、子宮頸がん、卵巣がん、神経芽腫などの腫瘍タイプに焦点を当て、腫瘍微小環境、腫瘍血管新生、腫瘍幹細胞、腫瘍耐性および薬剤スクリーニング、腫瘍免疫療法、精密医療などの分野での応用進展を詳述している。
論文の出典
このレビュー論文は、Huaixu Li、Yang Qiao、Xingliang Dai、Haotian Tian、Zhenyu Han、Sheng Cheng、Peng Gao、およびHongwei Chengによって共同執筆された。著者らは、安徽医科大学第一附属医院神経外科、華東デジタル医学工学研究所、安徽医科大学第一臨床学院医学影像技術科、および南京大学医学院附属金陵医院神経外科に所属している。この論文は、2024年11月14日にBio-design and Manufacturingジャーナルにオンライン掲載され、DOIは10.1007/s42242-024-00317-yである。
論文の主な内容
1. 3Dバイオプリンティング技術と腫瘍モデルへの応用
3Dバイオプリンティング技術は、生細胞、生体材料、薬物、成長ホルモン、ゲノムなどの生物活性成分を迅速かつ正確に定量堆積させ、複雑な空間構造を持つ活性組織を作成するための革新的な技術である。現在、主な3Dバイオプリンティング技術には、液滴ベースのバイオプリンティング（Droplet-based Bioprinting, DBB）、押出しベースのバイオプリンティング（Extrusion-based Bioprinting, EBB）、レーザー支援バイオプリンティング（Laser-assisted Bioprinting, LAB）、および光硬化バイオプリンティング（Stereolithography Bioprinting, SLB/DLB）が含まれる。各技術には長所と短所があり、例えばDBBは迅速で柔軟性が高く使いやすいが、バイオインク材料の選択肢が限られ、液滴サイズが不均一でノズルの詰まりが発生しやすい。一方、EBBは高細胞密度の組織印刷に適しているが、細胞構造の変形や生存率の低下を引き起こす可能性がある。
2. バイオインク（Bioinks）の選択と応用
バイオインクは3Dバイオプリンティングの鍵となる材料で、通常、細胞、基質、およびその他の生体材料で構成される。その起源に基づいて、バイオインクは天然と合成の2つに分類される。天然バイオインクには、ゼラチン、ヒアルロン酸、フィブリン、脱細胞外基質（Decellularized Extracellular Matrix, DECM）などがあり、良好な生体適合性と細胞支持能力を持つが、バッチ間の変動が大きく、機械的特性が低いという問題がある。合成バイオインクには、ポリエチレングリコール（Polyethylene Glycol, PEG）、ポリ乳酸-グリコール酸共重合体（Poly(lactic-co-glycolic acid), PLGA）などがあり、調整可能で機械的特性が優れているが、細胞適合性が低く、毒性のある溶剤を使用する場合がある。
3. 3Dバイオプリンティング腫瘍モデルの具体的な応用
3.1 膠芽腫モデル
膠芽腫は中枢神経系で最も一般的な悪性腫瘍の一つであり、高い悪性度、再発率、および予後の悪さが特徴である。3Dバイオプリンティング技術を用いて構築された膠芽腫モデルは、腫瘍微小環境をより忠実に模倣し、膠芽腫幹細胞の濃縮効果や血管内皮への転換能力を研究するのに役立つ。例えば、研究チームは3Dバイオプリンティング技術を使用して膠芽腫幹細胞モデルを構築し、3D環境下でより強い浸潤性とテモゾロミド耐性を示すことを発見した。
3.2 乳がんモデル
乳がんは、世界的に人間の健康を脅かす主要ながんの一つである。3Dバイオプリンティング技術を使用して、腫瘍細胞、脂肪細胞、および基質を含む乳がんモデルを構築し、腫瘍細胞と脂肪細胞の相互作用や腫瘍の浸潤および耐性を研究することができる。例えば、研究者はレーザー直書きバイオプリンティング技術を使用して乳がんモデルを構築し、乳がん細胞が脂肪組織に浸潤する過程を成功裏に模倣した。
3.3 肝がんモデル
肝細胞癌（Hepatocellular Carcinoma, HCC）は、世界的に5番目に多いがんであり、その発展は肝細胞外基質の硬さと密接に関連している。3Dバイオプリンティング技術を使用して構築された肝がんモデルは、肝臓の3D機械環境をより忠実に模倣し、肝がん細胞の増殖および浸潤特性を研究するのに役立つ。例えば、研究者は光硬化3Dバイオプリンティング技術を使用して肝がんモデルを構築し、肝硬変の硬さを持つDECMスキャフォールドが肝がん細胞の増殖を抑制し、浸潤マーカーの発現を増加させることを発見した。
3.4 腸がんモデル
腸がんは、人間の健康に深刻な影響を与える疾患である。その腫瘍微小環境は、腫瘍関連線維芽細胞および内皮細胞で構成されている。3Dバイオプリンティング技術を使用して構築された腸がんモデルは、腫瘍微小環境をより忠実に模倣し、腫瘍細胞の耐性および薬剤スクリーニングを研究するのに役立つ。例えば、研究者は3Dバイオプリンティング技術を使用して、腫瘍細胞、腫瘍関連マクロファージ、および内皮細胞を含む多細胞モデルを構築し、化学療法薬スクリーニング実験においてより高い耐性を示すことを発見した。
3.5 子宮頸がんモデル
子宮頸がんは、3Dバイオプリンティング腫瘍モデルとして比較的早期に研究されたものの一つである。3Dバイオプリンティング技術を使用して構築された子宮頸がんモデルは、腫瘍の3次元形態および微小環境をより忠実に模倣し、腫瘍細胞の浸潤および移動特性を研究するのに役立つ。例えば、研究者は押出し式3Dバイオプリンティング技術を使用して子宮頸がんモデルを構築し、3D環境下でより高い細胞生存率および浸潤性を示すことを発見した。
3.6 卵巣がんモデル
卵巣がんモデルの3Dバイオプリンティング技術は、高スループット自動化生産を可能にし、腫瘍と間質細胞間のフィードバックメカニズムを研究するために使用される。例えば、研究者は液滴ベースのバイオプリンティング技術を使用して卵巣がん微小組織モデルを構築し、腫瘍と間質細胞の相互作用を成功裏に模倣した。
3.7 神経芽腫モデル
神経芽腫は、小児期に発生する一般的な固形腫瘍の一つであり、予後が悪い。3Dバイオプリンティング技術を使用して構築された神経芽腫モデルは、腫瘍微小環境をより忠実に模倣し、腫瘍細胞の浸潤および移動特性を研究するのに役立つ。例えば、研究者は空気圧式押出し3Dバイオプリンティング技術を使用して神経芽腫モデルを構築し、2種類の化学療法薬の効果を評価した。
4. 3Dバイオプリンティング腫瘍モデルの応用研究
4.1 腫瘍微小環境の構築
腫瘍微小環境は、腫瘍細胞の生存および発展の鍵であり、3Dバイオプリンティング技術は、細胞および生体材料の空間分布を正確に制御し、実際の腫瘍微小環境に近いモデルを構築することができる。例えば、研究者は3Dバイオプリンティング技術を使用して、子宮頸がん細胞および基質を含む多細胞スフェロイドモデルを構築し、3D環境下でより高い耐性を示すことを発見した。
4.2 腫瘍血管新生
3Dバイオプリンティング技術は、腫瘍細胞および内皮細胞を含む共培養モデルを構築し、腫瘍血管新生のメカニズムを研究するのに役立つ。例えば、研究者は3Dバイオプリンティング技術を使用して膠芽腫細胞および内皮細胞の共培養モデルを構築し、3D環境下で血管様構造を形成することができることを発見した。
4.3 腫瘍幹細胞
腫瘍幹細胞は、自己複製および多様な腫瘍細胞への分化能力を持ち、腫瘍の生存、成長、転移、および再発の鍵となる。3Dバイオプリンティング技術を使用して構築された腫瘍幹細胞モデルは、腫瘍微小環境をより忠実に模倣し、腫瘍幹細胞の生物学的特性を研究するのに役立つ。例えば、研究者は3Dバイオプリンティング技術を使用して膠芽腫幹細胞モデルを構築し、3D環境下でより安定した増殖能力を示すことを発見した。
論文の意義と価値
このレビュー論文は、3Dバイオプリンティング技術の腫瘍モデル構築への応用進展を包括的にまとめ、膠芽腫、乳がん、肝がん、腸がん、子宮頸がん、卵巣がん、神経芽腫などのさまざまな腫瘍タイプの3Dバイオプリンティングモデルと、腫瘍微小環境、腫瘍血管新生、腫瘍幹細胞、腫瘍耐性および薬剤スクリーニング、腫瘍免疫療法、精密医療などの分野での応用を詳述している。3Dバイオプリンティング技術を使用して構築された腫瘍モデルは、実際の腫瘍の生物学的特性をより忠実に模倣し、腫瘍研究および治療のためのより正確で信頼性の高い実験プラットフォームを提供する。さらに、この論文は今後の研究に重要な参考と指針を提供し、3Dバイオプリンティング技術の腫瘍研究における広範な応用を推進している。
ハイライトと革新点
- 多腫瘍タイプのカバー：論文は、膠芽腫、乳がん、肝がん、腸がん、子宮頸がん、卵巣がん、神経芽腫など、さまざまな腫瘍タイプの3Dバイオプリンティングモデルを詳述し、この技術の広範な応用可能性を示している。
- 腫瘍微小環境の正確な模倣：3Dバイオプリンティング技術を使用して構築された腫瘍モデルは、腫瘍微小環境をより忠実に模倣し、腫瘍生物学研究および抗がん剤スクリーニングのためのより正確な実験プラットフォームを提供する。
- 腫瘍血管新生および幹細胞研究：論文は、3Dバイオプリンティング技術の腫瘍血管新生および腫瘍幹細胞研究への応用を詳述し、腫瘍の浸潤および転移メカニズムを理解するための新しい視点を提供する。
- 個別化医療の可能性：3Dバイオプリンティング技術を使用して構築された患者特異的腫瘍モデルは、個別化医療に重要な実験的根拠を提供し、精密医療の発展を推進する。
まとめ
このレビュー論文は、3Dバイオプリンティング技術の腫瘍モデル構築への応用を包括的に探求し、この技術が腫瘍研究において持つ巨大な可能性を示している。3Dバイオプリンティング技術を使用して構築された腫瘍モデルは、実際の腫瘍の生物学的特性をより忠実に模倣し、腫瘍研究および治療のためのより正確で信頼性の高い実験プラットフォームを提供する。今後、技術の進歩に伴い、3Dバイオプリンティング技術は腫瘍研究および個別化医療においてさらに大きな役割を果たすことが期待される。