客观日本

100%使用细胞制作的人造组织,开拓再生医疗新时代

2019年05月21日 生物医药
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通过培养人体细胞来制作各种器官的研究正在顺利展开。不过,距离全面投入实用化还需要解决很多问题,其中之一就是通过培养细胞制作具有立体构造的组织。日本Cyfuse公司(代表董事秋枝静香)挑战了一项新技术,即利用细胞用3D打印机,使用患者的细胞制作拥有血管的立体组织。

100%使用细胞制作的人造组织,开拓再生医疗新时代

希望能降低患者的风险,在不使用支架的情况下实现立体构造

再生医疗的目标是,人工培养出无法自然再生(痊愈)的细胞、组织和器官,并恢复其功能。现在已经通过审批的再生医疗产品有,人(自体)骨髓源性间充质干细胞:在体外培养和繁殖从患者体内采集的骨髓液中的间充质干细胞,然后再植入患者体内;人(自体)表皮源性细胞膜片:膜片状培养细胞。继液状和膜片状之后,另外还有一种备受期待的再生医疗产品,这就是拥有立体构造的组织。

Cyfuse制作的立体组织之一是血管。对于实现立体构造的意义,秋枝说:“一些患者因为肾病等每周要多次进行血液透析,为了减轻自身血管的负担,有患者在体内植入了用树脂等制作的人工血管。但体内植入异物后,患者要面对排异反应和传染病的风险。而采用来自自体细胞制作的血管就有望解决这个问题。”

为了实现立体构造,此前也开发过多种技术,但都存在这样那样的问题。比如,需要使用动物源性材料作为支撑细胞的支架;氧气和营养无法抵达使用模具堆叠的细胞,导致内侧细胞坏死等。而Cyfuse开发的生物3D打印机解决了这些问题,作为能100%使用细胞制作任意立体构造的划时代方法,受到了广泛关注。

在剑山上堆砌细胞造型,利用3D打印机实现自动化

利用Cyfuse创始人兼佐贺大学医学部教授中山功一开发的“剑山法”(注:剑山是插花艺术中用于将花固定在容器中的针状底座),可以在不使用支架和模具的情况下实现立体造型。如果在特定的培养皿中培养相同种类细胞,细胞就会聚集成块。通过将该细胞块堆积在设置成剑山状的细针上,就可以制作所需的形状(图1)。然后使制作出来的立体构造在剑山上成熟,细胞之间相互融合,即使取下剑山也能保持立体构造。另外,由于堆叠的细胞之间有适当的缝隙,培养液和氧气能抵达内部,细胞可以存活下来。

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■图1:采用“剑山法”可以用细胞制作立体构造。

最初是通过手工作业在剑山上一个一个层叠细胞块,花费几十个小时来制作立体构造是常态,后来在日本政府和涩谷工业等企业的支援下,成功实现了自动化。不过,开发之路并不顺利。Cyfuse公司研发部经理国富芳博介绍了开发过程中的艰辛,他说:“由于是新技术,消耗品和实验中使用的器具在市场上买不到。要么通过反复试错自己制作,要么定制,总之非常不容易,不过很有价值。”

最困难的是“针”的开发。为了制作粗细度不损伤细胞块,强度又能满足反复使用需求的细针,先后与十几家企业进行了交流。目前正根据用途开发不同形状和长度的剑山(图2)。

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■图2:根据用途开发了不同形状的剑山。上面是利用细胞制作的立体构造。

利用公司自己开发的生物3D打印机制作立体组织,并且已经把用细胞制作的血管移植到了猪的身上,证实了这种立体组织具备高存活率和组织再生能力。另外研究还发现,在普通的人造血管中,血管上形成的孔不会自然闭合,但利用细胞制作的血管只需用手指按压一下就可以止血。

秋枝强调说:“使用患者自身的细胞进行培养的话,不用担心排异反应。我们想为患者提供能放心使用的高品质产品,因此正在严格检验强度和耐久性。作为新的治疗选择,期待我们的产品能为那些饱受疾病和伤痛困扰的患者带来希望。”

关键是将细胞串成串,更快地自由层叠

新开发的生物3D打印机“Regenova”通过一个一个将细胞块运送至剑山的目标位置,并反复重复这一动作来一层一层进行堆叠。

由于使用的是尺寸均匀的细胞块,因此能制作出精密的立体构造(图3)。

这款3D打印机能使用各种细胞进行打印,受到了研究人员的广泛关注。另一方面,也有很多人研究人员提出,希望可以降低设置空间和成本方面的门槛,能够更加便利地利用。因此,Cyfuse公司新开发了“S-PIKE”。该产品进一步实现了小型化,可以收纳在很多实验室都有的通风柜内,而且提高了层叠自由度。S-PIKE定位为能轻松导入的入门款,设想让研究人员根据研发所处的阶段,与Regenova区分使用。

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图3:使用专用软,还能自由制作复杂的形状。照片中是演示时制作的字母“JST”。

Cyfuse公司系统开发部经理岸井保人自信地说:“由于研究人员的需求各不相同,我们对产品进行了改良,能够更加快速、更加自由地使用。可通过移动细针连续拾取培养液中的细胞块,将细胞块在针上串成串之后插到台座上。细胞块的尺寸比预定的尺寸过小或者过大时,可以通过调整针的间隔来应对。”

岸井介绍说,插针的台座使用特殊硅材料制作,材料太软的话,针会倒下,太硬的话针又插不进去,因此在选择材料和调整厚度上颇费了一番工夫。 

秋枝充满自信地表示:“使用Regenova和S-PIKE,可以帮助很多研究人员催生出新的想法和技术种子。期待生物3D打印机的普及能加速推进再生医疗研究。为了那些正在等待的患者,我们将与研究人员和企业积极合作,尽量缩短研发周期。”

通过细胞创造希望,从新药开发到治疗提供广泛支援

人造血管预定年内开始实施临床试验,软骨目前已经开始进行临床试验,神经再生等各种项目也在进行中。从原理上来说,利用Cyfuse的生物3D打印机还能制作消化器官和循环器官等,受到了广泛关注。

不过,由于再生组织的实用化需要进行临床试验等,因此属于稍长期的目标。但作为新药开发支援工具使用的立体细胞则有望在短期内投入实用。研究发现,评价药物的候选材料对细胞的影响时,如果细胞拥有立体构造,会显示出更接近生物体的反应。Cyfuse正在推进把利用肝脏细胞制作的迷你肝脏用于毒性评价等的研究。如果能提高候选材料的安全性试验精度,还有助于降低新药的开发成本及缩短开发时间。

生物领域的初创企业一般很难取得成功,在这种情况下,Cyfuse明年将迎来创业10周年。秋枝说,“这是一点一滴地稳步积累技术所取得的成果”。公司名称Cyfuse取自有细胞之意的“Cyto”及融合的英文“fusion”,其中包含着通过融合生物学与工学来实现技术创新的愿望。正如公司名称所包含的意思一样,不同背景的员工走到一起,开发出了创新技术。大家共同拥有一个强烈的愿望,就是“通过细胞实现新型医疗,为患者创造希望”,Cyfuse将带着这个愿望向下一个10年继续前进。(日文发布全文

文:秋枝静香 Cyfuse代表董事
出处:JSTnews 2019年5月号
翻译·编辑:JST客观日本编辑部

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