2021-11-25

ニューロン再生に役立つ人工3Dスキャフォールドを新技術で設計

本研究のポイント

  • 最先端の技術により、ニューロン再生のためのより精密な「足場」であるスキャフォールドを人工的に構築した。
  • スキャフォールドは、ニューロンの正確な伸展に必要な線維構造である細胞外マトリックスを模倣して設計したものである。
  • 二光子リソグラフィーと呼ばれる技術で、3Dプリンターの手法を用いて感光性樹脂をレーザーで硬化させて構造を形成。
  • 研究チームは、この材料が熱的にも機械的にも安定していることを確認し、このスキャフォールドで2種類のニューロンの培養に成功した。
  • 本研究により、人工のスキャフォールドが構築できれば、ヒトの脊髄内で損傷したニューロンが再接続するのを助ける可能性がある。

概要

世界中で毎年数百万人が脊髄損傷に苦しんでいます。脊髄損傷は、脳と体のコミュニケーション回路を破壊して運動や感覚機能を低下させ、最悪の場合は麻痺に至ることもあります。

この度、沖縄科学技術大学院大学(OIST)の研究チームは、再生するニューロンが正しい方向に伸展するのを促す3Dスキャフォールド(足場)の製作に新技術を用いました。研究チームは、米国の科学誌Materials Science and Engineering Cに掲載されたこのスキャフォールドを使用して、いつかヒトの脊髄内で損傷したニューロンが再接続するのを助ける構造を設計できるようになることを期待しています。

電子顕微鏡で撮影したスキャフォールドは、再生するニューロンの伸展方向を誘導する構造に設計されている。画像A:スケールバー=100µm。画像B:スケールバー=1µm。

OISTの分子神経科学ユニットを率いるマルコ・テレンツィオ准教授は、「現在、脊髄内で損傷したニューロンを再生させることは非常に困難な課題となっています」と述べています。

テレンツィオ准教授は、指や脚などの末梢神経は比較的容易に自然回復できるものの、脳や脊髄などの中枢神経系のニューロンの多くは、同等の再生能力を持っていないと説明しています。

「脊椎内では数種類のニューロンだけが、限られた回復能力を持っています。その上、ニューロンは数ミリまで伸びる必要がありますが、瘢痕組織によって伸展が遮られてしまうかもしれません。そこで、人工的なスキャフォールドを用意してその隙間を埋めることでニューロンを助けてあげる必要があるのです。」

ニューロンの自己修復は、単独では起こりません。ニューロンが適切に伸展するためには、それを支える線維構造である細胞外マトリックスが必要です。しかし、技術的な制約から、細胞外マトリックスの質感を正確に模倣できるスキャフォールドを、脊髄損傷への用途に適したサイズで製造することは、これまでのところできませんでした。

本研究では、二光子リソグラフィーと呼ばれる最新の製造技術が用いられ、標準的な印刷方法よりも全構造をより精密に造形することができました。

テレンツィオ准教授は次のように説明しています。「これは3Dプリンターと少し似ていますが、逆の方法をとります。必要な場所に材料を噴射させて積層する替わりに、材料を除去することで構造を形成します。」

研究チームはまず、コンピューターソフトを使用して、ニューロンの伸展方向を誘導する溝やくぼみのあるスキャフォールドを設計しました。テレンツィオ准教授の説明によると、ニューロンは通常、中心から放射状に伸展しますが、損傷によって接続が切断された場合は、直線的に伸展させて両側を橋渡しする方が効率的であると説明します。

次に研究チームはIP-Dipというポリマーを使用して、さまざまなスキャフォールドを製作しました。設計図に基づいて特定の位置にレーザーの光を照射すると、IP-Dipが反応して硬化します。そして最後に、硬化しなかった余分なポリマーを洗い流すと、最終的な構造が姿を現します。

二光子リソグラフィーを用いてポリマーを印刷して硬化させ、詳細に設計された構造を形成するNanoscribeプリンター。

研究チームがスキャフォールドの材料特性を調査したところ、硬化したポリマーは熱的にも機械的にも安定していることが明らかになりました。

研究チームはさらに、この構造体が生体適合性を持つかどうかを検証するため、脊髄付近にあり、感覚を脳に伝えるニューロンの集合体である脊髄神経節からマウスのニューロンを培養しました。また、脊髄に存在し、筋収縮とそれによって行われる運動を司るマウスの運動ニューロンも使用して構造体の試験を行いました。その結果、どちらの種類のニューロンもこのスキャフォールドに付着して伸展することができました。

2021-11-25

スキャフォールド上での培養に成功した感覚ニューロンを共焦点顕微鏡で可視化した画像。

研究チームは、ニューロンが構造体の上だけでなく内部にも伸展するように、スキャフォールドの1つをより多孔質に設計しました。

テレンツィオ准教授は、次のように述べています。「ニューロンがスキャフォールドのすべての層を貫通していることがわかり、非常に感激しました。次の目標は、この設計を鋳型として、将来、マウスの生体内実験に使用できるスキャフォールドを開発することです。」

スキャフォールドを貫通するように伸展したニューロンを共焦点顕微鏡で撮影した画像。ニューロンの色の違いは、足場の奥行きを表している。

研究チームはさらに、別の種類の傷に適した材料やスキャフォールドの設計も試す予定です。

しかし同技術は、ほとんどの研究機関にとって非常に高価である上、十分なサイズのスキャフォールドを印刷するのに何日も要することを研究チームは認識しています。

テレンツィオ准教授は、「この技術はまだ極めて初期段階にありますが、コストと効率が次第に改善されていくことを期待しています。OISTエンジニアリングセクションのナノファブリケーション&キャラクタリゼーションとメカニカルエンジニアリングサービスの機械を使用できたことが、とても恵まれていることだと思います。」

と述べ、このような多分野間の協力を促進するために学部(研究科)を設けないOISTならではの構造を評価して、今回の研究について「まさにOIST精神に基づく研究です」と言っています。

発表論文詳細

論文タイトル:Development of 3D culture scaffolds for directional neuronal growth using 2-photon lithography
発表先: Materials Science and Engineering: C
著者: Lokesh Agrawal, Menouer Saidani, Laurent Guillaud, Marco Terenzio
DOI: https://doi.org/10.1016/j.msec.2021.112502
発表日: 2021年10月21日 (オンライン)

(ダニ・アレンビ)

広報や取材に関して:media@oist.jp