透過培養人體細胞來製作各種器官的研究正在順利展開。不過，距離全面投入實用化還需要解決很多問題，其中之一就是透過培養細胞製作具有立體構造的組織。日本Cyfuse公司（代表董事秋枝靜香）挑戰了一項新技術，即利用細胞用3D列印機，使用患者的細胞製作擁有血管的立體組織。
希望能降低患者的風險，在不使用支架的情況下實施立體構造
再生醫療的目標是，人工培養出無法自然再生（治愈）的細胞、組織和器官，並恢復其功能。現在已經透過審批的再生醫療產品有，人（自體）骨髓源性間充質幹細胞：在體外培養和繁殖從患者活體內採集的骨髓液中的間充質幹細胞，然後再植入患者活體內；人（自體）表皮源性細胞膜片：膜片狀培養細胞。繼液狀和膜片狀之後，另外還有一種備受期待的再生醫療產品，這就是擁有立體構造的組織。
Cyfuse製作的立體組織之一是血管。對於實施立體構造的意義，秋枝說：「一些患者因爲腎病等每週要多次進行血液透析，爲了減輕自身血管的負擔，有患者在活體內植入了用樹脂等製作的人工血管。但活體內植入異物後，患者要面對排斥反應和傳染病的風險。而採用來自自體細胞製作的血管就有望解決這個問題。」
爲了實施立體構造，此前也開發過多種技術，但都存在這樣那樣的問題。比如，需要使用動物源性材料作爲支撐細胞的支架；氧氣和營養無法抵達使用模具堆疊的細胞，導致内側細胞壞死等。而Cyfuse開發的生物3D列印機解決了這些問題，作爲能100％使用細胞製作任意立體構造的劃時代方法，受到了廣泛關注。
在劍山上堆砌細胞造型，利用3D列印機實施自動化
利用Cyfuse創始人兼佐賀大學醫學部教授中山功一開發的「劍山法」（注：劍山是插花藝術中用於將花固定在容器中的針狀底座），可以在不使用支架和模具的情況下實施立體造型。如果在特定的培養皿中培養相同種類細胞，細胞就收歛集成塊。透過將該細胞塊堆積在設置成劍山狀的細針上，就可以製作所需的形狀（圖1）。然後使製作出來的立體構造在劍山上成熟，細胞之間相互融合，即使取下劍山也能保持立體構造。另外，由於堆疊的細胞之間有適當的縫隙，培養液和氧氣能抵達内部，細胞可以存活下來。
■圖1：採用「劍山法」可以用細胞製作立體構造。
最初是透過手工作業在劍山上一個一個層疊細胞塊，花費幾十個小時來製作立體構造是常態，後來在日本政府和澀谷工業等企業的支援下，成功實施了自動化。不過，開發之路並不順利。Cyfuse公司研發部經理國富芳博介紹了開發程序中的艱辛，他說：「由於是新技術，消耗品和實驗中使用的器具在市場上買不到。要麼透過反複試錯自己製作，要麼定製，總之非常不容易，不過很有價值。」
最困難的是「針」的開發。爲了製作粗細度不傷害細胞塊，強度又能滿足反復使用需求的細針，先後與十幾家企業進行了交流。目前正根據用途開發不同形狀和長度的劍山（圖2）。
■圖2：根據用途開發了不同形狀的劍山。上面是利用細胞製作的立體構造。
利用公司自己開發的生物3D列印機製作立體組織，並且已經把用細胞製作的血管移植到了豬的身上，證實了這種立體組織具備高存活率和組織再生能力。另外研究還發現，在普通的人工血液管中，血管上形成的孔不會自然閉合，但利用細胞製作的血管只需用手指按壓一下就可以止血。
秋枝強調說：「使用患者自身的細胞進行培養的話，不用擔心排斥反應。我們想爲患者提供能放心使用的高品質產品，因此正在嚴格檢驗強度和耐久性。作爲新的冶癒選擇，期待我們的產品能爲那些飽受疾病和傷痛困擾的患者帶來希望。」
關鍵是將細胞串成串，更快地自由層疊
新開發的生物3D列印機「Regenova」透過一個一個將細胞塊運送至劍山的目標位置，並反復重複這一動作來一層一層進行堆疊。
由於使用的是尺寸均勻的細胞塊，因此能製作出精密的立體構造（圖3）。
這款3D列印機能使用各種細胞進行列印，受到了研究人員的廣泛關注。另一方面，也有很多人研究人員提出，希望可以降低設置空間和成本方面的門檻，能夠更加便利地利用。因此，Cyfuse公司新開發了「S-PIKE」。該產品進一步實施了小型化，可以收納在很多實驗室都有的通風櫃内，而且提高了層疊自由度。S-PIKE定位爲能輕鬆導入的入門款，設想讓研究人員根據研發所處的階段，與Regenova區分使用。
圖3：使用專用軟，還能自由製作複雜的形狀。照片中是示範時製作的字母「JST」。
Cyfuse公司系統開發部經理岸井保人自信地說：「由於研究人員的需求各不相同，我們對產品進行了改良，能夠更加快速、更加自由地使用。可透過行程細針連續拾取培養液中的細胞塊，將細胞塊在針上串成串之後插到臺座上。細胞塊的尺寸比預定的尺寸過小或者過大時，可以透過調整針的隔膜來因應。」
岸井介紹說，插針的臺座使用特殊硅材料製作，材料太軟的話，針會倒下，太硬的話針又插不進去，因此在選擇材料和調整厚度上頗費了一番工夫。
秋枝充滿自信地表示：「使用Regenova和S-PIKE，可以幫助很多研究人員催生出新的想法和技術種。期待生物3D列印機的普及能加速推進再生醫療研究。爲了那些正在等候的患者，我們將與研究人員和企業積極合作，儘量縮短研發週期。」
透過細胞創造希望，從新藥開發到冶癒提供廣泛支援
人工血液管預定年内開始實施臨牀試驗，軟骨目前已經開始進行臨牀試驗，神經再生等各種專案也在進行中。從原理上來說，利用Cyfuse的生物3D列印機還能製作消化器官和循環器官等，受到了廣泛關注。
不過，由於再生組織的實用化需要進行臨牀試驗等，因此屬於稍長期的目標。但作爲新藥開發支援工具使用的立體細胞則有望在短期内投入實用。研究發現，評價藥物的候選材料對細胞的影響時，如果細胞擁有立體構造，會顯示出更接近生物體的反應。Cyfuse正在推進把利用肝臟細胞製作的迷你肝臟用於毒性評價等的研究。如果能提高候選材料的安全性試驗法精度，還有助於降低新藥的開發成本及縮短開發時間。
生物領域的初創企業一般很難取得成功，在這種情況下，Cyfuse明年將迎來創業10週年。秋枝說，「這是一點一滴地穩步積累技術所取得的成果」。公司名稱Cyfuse取自有細胞之意的「Cyto」及融合的英文「fusion」，其中包含着透過融合生物學與工學來實施技術創新的願望。正如公司名稱所包含的意思一樣，不同背景的員工走到一起，開發出了創新技術。大家共同擁有一個強烈的願望，就是「透過細胞實施新型醫療，爲患者創造希望」，Cyfuse將帶着這個願望向下一個10年繼續操作前進。（日文發佈全文）
文：秋枝靜香 Cyfuse代表董事
出處：JSTnews 2019年5月號
翻譯·編輯：JST客觀日本編輯部
