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臓器培養とは、臓器全体または臓器の一部を体外で培養することです。[1]これは組織培養研究法から発展したもので、体外で実際の臓器を使用することで、様々な状態や条件における臓器の機能をより正確にモデル化することができます。[2]
器官培養の重要な目的は、組織の構造を維持し、正常な発達へと導くことです。この技術では、組織を破壊したり損傷したりしないことが不可欠です。そのため、慎重な取り扱いが求められます。増殖中の器官培養に使用する培地は、一般的に組織培養に使用する培地と同じです。器官培養の技術は、(i)固体培地を用いるものと(ii)液体培地を用いるものの2つに分類できます。
臓器培養技術は、発生学、[3] 、 炎症、癌、幹細胞生物学の研究の進歩に貢献してきました。[2]
現在の進捗状況
2006年4月、科学者たちは7つの膀胱を体外で培養し、ヒトに投与する実験に成功したと報告した。[4] [5]膀胱は、ノースカロライナ州ウィンストン・セーラムにあるウェイクフォレスト再生医療研究所のアンソニー・アタラ氏によって培養されている。顎骨はコロンビア大学で、肺はイェール大学で培養されている。鼓動するラットの心臓はミネソタ大学のドリス・テイラー氏によって培養されている。人工腎臓はミシガン大学のH・デイビッド・ヒュームズ氏によって培養されている。[6]
カイコの繭から切り取った糸は、心臓組織作製のための成長足場として効果的に利用されています。心臓組織は損傷すると再生しないため、代替パッチの作製は大きな関心を集めています。この実験ではラットの心臓細胞を用い、機能的な心臓組織を作製しました。ヒトへの治療応用をさらに検証するためには、ヒト幹細胞を心臓組織に変換する方法を見つける必要があります。[7]
2015年、ハラルド・オットはラットの前肢を再生させることに成功しました。[8]彼は現在、バイオ人工心臓、肺、気管、腎臓の開発に焦点を当てたオット研究所で働いています。[9]
2016年には、ヒト細胞を用いて複雑な構造を持つ心臓を組み立てる新たな実験が行われました。最終的に得られた心臓は未成熟でしたが、幹細胞から心臓を作るという目標に一歩近づいたことが証明されました。[10] [11]
2017年1月、ソーク生物学研究所の科学者たちは、臓器の成長に不可欠なDNAの一部を編集したブタの胚の作成に成功しました。そして、そのブタの胚にヒト幹細胞を導入し、ヒトDNAでその欠損部分を補いました。[12] [13]
2022年3月には、BPCDXと呼ばれる角膜インプラントが暫定的に成功したことを示す研究が発表され、移植後は顕著な組織付着と宿主細胞の移動が示された。[14]
方法論
体外培養
胚器官培養は、成体動物由来の通常の臓器培養に代わる、より簡便な方法です。以下は、胚器官培養に用いられる4つの技術です。
血漿凝固法
以下は血漿凝固の臓器培養における一般的な手順です。
- 血漿 15 滴と胚抽出物 5 滴を時計皿で混ぜて血漿凝固を準備します。
- ペトリ皿の中の綿布の上に時計皿を置きます。綿布は、皿からの過剰な蒸発を防ぐために湿った状態に保たれます。
- 慎重に切り取った小さな組織片を、時計皿の中の血漿の塊の上に置きます。
この技術は現在改良されており、組織を載せる際にレンズペーパーまたはレーヨンネットをラフト状に重ねる。ラフトを用いることで組織を容易に移植できる。余分な液を除去した後、組織を載せたネットを再び新鮮な培地のプールに置く。
寒天ゲル法
寒天で固めた培地も臓器培養に用いられ、これらの培地はBSSに1%寒天を7：ニワトリ胚エキスを3：ウマ血清を3の割合で混合した組成です。血清の有無にかかわらず、寒天培地も寒天培地とともに用いられます。寒天培地は臓器培養を機械的に支え、液化しません。胚の臓器は一般的に寒天培地上で良好に生育しますが、成体の臓器培養は寒天培地では生存できません。
成体動物の成体臓器または成体部位の培養は、酸素の必要量が多いため、より困難です。様々な成体臓器（例えば肝臓）は、特殊な装置（トーウェルII培養チャンバー）と特殊な培地を用いて培養されてきました。血清は毒性があることが判明したため、無血清培地が使用され、特殊な装置では95%酸素の使用が可能でした。
ラフト法
この方法では、組織片をレンズペーパーまたはレーヨンアセテートのラフト上に置き、時計皿の中の血清に浮かべます。レーヨンアセテートのラフトは、四隅をシリコンで処理することで血清に浮かぶように作られています。
同様に、レンズペーパーの浮遊性はシリコーン処理によって向上します。各ラフトには通常4個以上の組織片が配置されます。
ラフト法とクロット法を組み合わせた方法では、まず組織片を適切なラフト上に置き、次にラフトを血漿クロット上に保持します。この改良により、培地交換が容易になり、組織片が液化した血漿に沈むのを防ぎます。
グリッド法
グリッド法は 1954 年に Trowell によって最初に考案され、適切な金網または穴あきステンレス鋼シートの 25 mm x 25 mm 片を使用し、その端を曲げて高さ約 4 mm の 4 本の脚を形成します。
骨格組織は通常、グリッド上に直接配置されますが、腺や皮膚などの柔らかい組織は最初にラフト上に配置され、その後グリッド上に保持されます。
グリッド自体は、グリッドまで液体培地で満たされた培養チャンバー内に配置されます。チャンバーには、成体哺乳類の臓器の高い酸素要求量を満たすために、酸素と二酸化炭素の混合物が供給されます。オリジナルのグリッド法を改良した方法は、成体および胚組織の成長と分化の研究に広く用いられています。
用途
培養臓器は、他者（生体または死体）の臓器の代替となり得ます。これは、先進国において移植可能な臓器（他者由来）の入手性が低下しているため、有用です。もう一つの利点は、患者自身の幹細胞を用いて作製された培養臓器は、免疫抑制剤を必要としない患者への臓器移植を可能にすることです。[15]
制限事項
- 薬物は体内では代謝されるが、試験管内では代謝されないため、試験管内臓器培養の結果は生体内研究（薬物作用に関する研究など）の結果と比較できないことがよくあります。
参照
参考文献
- ^ 星野隆夫 (1981-01-01)、セルゲイ・フェドロフ、リーフ・ヘルツ (編)、ヒト脳腫瘍（グリオーマ）の細胞学的側面、細胞神経生物学の進歩、第2巻、エルゼビア、pp. 167– 204、doi :10.1016/B978-0-12-008302-2.50010-9、ISBN 9780120083022、2023年3月6日取得
- ^ ab Al-Lamki, Rafia S.; Bradley, John R.; Pober, Jordan S. (2017). 「ヒト臓器培養：炎症、がん、および幹細胞生物学におけるin vitroからin vivoへのギャップを埋めるためのアプローチのアップデート」Frontiers in Medicine . 4 : 148. doi : 10.3389/fmed.2017.00148 . ISSN 2296-858X. PMC 5601956. PMID 28955710 .
- ^ McClelland, Kathryn S.; Bowles, Josephine (2016-04-01). 「マウス胚器官の培養：メリット、デメリット、ヒント、コツ」 .分化. 細胞生物学および発生生物学における新旧の技術. 91 (4): 50– 56. doi :10.1016/j.diff.2016.01.008. ISSN 0301-4681. PMID 26988290.
- ^ 「研究室で培養された膀胱に大きな期待」、ニューサイエンティスト、2006年、第2546号、https://www.newscientist.com/channel/health/mg19025464.200-labgrown-bladder-shows-big-promise.html
- ^ Atala, Anthony; Bauer, Stuart B; Soker, Shay; Yoo, James J; Retik, Alan B (2006年4月). 「膀胱形成術を必要とする患者のための組織工学自己膀胱」. The Lancet . 367 (9518): 1241– 1246. doi : 10.1016/S0140-6736(06)68438-9 . PMID 16631879. S2CID 17892321.
- ^ “現在までに培養された臓器（2011年）”. 2018年3月12日時点のオリジナルよりアーカイブ。2011年7月3日閲覧。
- ^ マックス・プランク協会 (2012年1月27日). 「シルクの心臓：科学者たちはタサールカイコのシルクを心臓組織の足場として利用している」. ScienceDaily. 2012年1月29日閲覧, https://www.sciencedaily.com/releases/2012/01/120127135943.htm
- ^ 世界初のバイオリム：実験室で培養されたラットの前肢
- ^ Ott Lab: プロジェクト
- ^ 実験室で培養された心臓
- ^ 培養心臓 ref 2
- ^ 科学者らが臓器移植の画期的進歩としてヒト-ブタの胚を作製
- ^ 研究室で作られた人間と豚のハイブリッド
- ^ Nair, DS; Seiler, MJ; Patel, KH; Thomas, V.; Camarillo, JC; Humayun, MS; Thomas, BB (2021). 「網膜再生のための組織工学戦略」.応用科学. 11 (5): 2154. doi : 10.3390/app11052154 . PMC 8896578. PMID 35251703 .
- ^ 研究室で臓器を培養する
外部リンク
- 胎児胸腺器官培養
