組織工学
3Dプリンターを用いて、臓器、または場合によっては生物全体を印刷することが可能になるかもしれない。最近の革新的な方法では、熱可逆性ゲルをマトリックスとし、細胞の正確な層を、インクジェットタイプの3Dプリンターを用いて構築する。血管を覆う細胞である内皮細胞は、層を積み上げられリングとして「印刷」される。「印刷」後、培養することで、これらがチューブ状に融合し、血管のようになる。
組織やさらには臓器全体を、3次元で高精度につくる試みは、先駆的な複数のプロジェクトや技術によってなされており、細胞の足場や、細胞を層ごとに積み上げ、組織や、臓器そのものをつくろうとしている。この装置はウェイクフォレスト大学再生医療研究所(英語版)のAnthony Atalaとウェイクフォレスト大学泌尿器科長W.H. BoyceがTEDで示した。この講演では講演中に腎臓が舞台で「印刷」され、観衆に提示された。この技術は、将来的に、移植のための肝臓などの臓器の作製を可能にし、毒物学および他の生物学的研究のための使用も可能になると予想される。
近年、多光子プロセッシング(Multi-Photon Processing、MPP)が、軟骨の作製に使われている。ある種の幾何形状の細孔がほどこされた、三次元の足場に軟骨細胞を播くことで、生体への移植の性能を改善することがわかった。生体適合性は、市販のコラーゲン膜と同等だった。この研究の成果は、六方形の細孔が開いた微細構造骨格に、軟骨細胞を播種することを組み合わせ、有機 - 無機ハイブリッドで軟骨組織をつくれる可能性があることを示唆している。
2つの異なるタイプの材料を組み合わせることによって、研究者はより生体適合性のある組織の足場を生成する素材を作り出そうとしている。「足場」は、天然材料から構築されてもよく、特に、天然の素材から採取した細胞外マトリックスのいろいろな誘導体が、細胞増殖を支持する「足場」としての利用できるかが研究されている。コラーゲンやフィブリンなどのタンパク質性の材料や、キトサンやグリコサミノグリカン(GAG)のような多糖類はすべて細胞適合性はあることが示されているが、潜在的な免疫原性の問題が依然として残っている。 GAGの中で、おそらく架橋剤(例えばグルタルアルデヒド、水溶性カルボジイミドなど)と組み合わせたヒアルロン酸は、骨格材料として有望な選択肢の1つである。研究中の足場の別の例は、生体の組織から細胞を除去し、細胞が残した細胞外マトリックスを、足場として使うというものである。2014年には、ナノマテリアルをハイドロゲルに組み込んで、ナノコンポジットの生体材料がつくられ、生物活性のある足場がつくられた。
Ratmirらによる2009年の研究では、生体内のような三次元の組織の培養条件を改善することを目的とし、「細胞外マトリックスとしてのハイドロゲルに細胞を懸濁したものを含浸させた紙を、層状を積み重ね、その後、その層をはがし分析することで、酸素や栄養勾配が変わることで、分子レベルや、遺伝的応答が、三次元的にどう変わるかを調べられた」。培養中の可溶性分子の濃度をうまく勾配をつけることで、従来の3D培養よりも効果的に、これらの勾配の細胞を特徴付けることが可能である。異なる厚さの紙および培地の種類は、様々な実験環境を再現することができる。解体時に、これらのシートは細胞ベースのハイスループットスクリーニングおよび創薬に有用であるかもしれない。
血液などの液体の組織からは、細胞は、通常は遠心分離またはアフェレーシスによって抽出される。 固形組織からの抽出はより困難である。 通常、組織を細かく刻み、トリプシンまたはコラゲナーゼなどの酵素で消化して、細胞を保持する細胞外マトリックス(ECM)を除去する。 その後、細胞は自由に浮遊するため、遠心分離またはアフェレーシスを用いて抽出される。トリプシンによる消化は温度に強く依存する。より高い温度ではマトリックスをより速く消化するが、より多くの損傷を与える。コラゲナーゼは温度依存性が少なく、損傷を与える細胞の数は減るが、時間がかかり、試薬が高価になる。