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Development of  Multi-Scale ECM Control/Sensing Platform to Analyse Cell-ECM Interactions


萩原 将也

(理化学研究所 生命機能科学研究センター, 理研白眉研究チームリーダー) 

Masaya Hagiwara (RIKEN)

Fig_Hagiwara - Masaya Hagiwara.jpg

現在,オルガノイド培養技術においては,細胞の自律形成に従い形態が作られるため,in vitroの培養環境を空間情報を持ったin vivoの複雑性に近づけることが必要である.この問題を解決するため,我々はまず立体的な細胞組織を周囲の基質ごと容易に操作可能なCUBEデバイスを開発した.このCubeをオルガノイドのキャリアとして用いることで,in vitro培養における場を制御するための,様々な工学技術を詰め込むことが可能となり,1)細胞集団の三次元形状制御,2)表面張力を利用した異種ECMの局在制御,3) 流体チップ内との統合による因子濃度勾配形成制御,4) 組織間相互作用解析が可能なOrgan-on-Chipの構築,5)Cubeを斜軸上に連続回転させることにより,直交3平面からの4Dイメージング,を達成してきた.今後ますます生体内の複雑さの再構築が求められるオルガノイド,Organ-on-a-Chipにおいて,本技術がプラットフォームとして大きく貢献することが期待できる.本研究では,このプラットフォームをさらに発展させ,マイクロメートルからミリメートルのマルチスケールで培養環境の空間情報を制御・計測できる技術の開発を目指す.

For the advancement of organoid development, it is essential to recapitulate the complex in vivo environments to provide cells with spatial information. We have developed an in vitro experimental platform for organoid culture to design and control the microenvironment. The simple cube device, which comprises a polycarbonate frame with rigid agarose walls and an inner ECM hydrogel, can be used as a carrier for organoids to (i) control the spatial distribution of cells by employing 3D-printed carbohydrate molds to create cell seeding pockets in the ECM hydrogel, (ii) design tissues with localized ECM by isolating ECM hydrogels of varying composition or stiffness in separate compartments, (iii) facilitate integration with microfluidics to generate concentration gradients of morphogens to direct cell growth and differentiation, (iv) assemble multi-CUBE with organoids or tissues to express tissue-tissue interactions, and (v) scan organoids from three orthogonal planes to image large-scale samples with high resolution. The platform does not require complicated external systems such as pumps and lasers. Thus, it can be easily installed in most lab environments to accelerate research for organoid development, while it is envisioned that increasingly sophisticated and interconnected organoids will be achievable. In this research project, we aim to extend this platform further to control and sense in vitro environments on a multi-scale from micrometers to millimeters.

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