細胞枝パターン形成の定量分析のための3D実験プラットフォームからの高い再現性

3次元（3D）細胞および組織培養物は、2次元（2D）培養よりも生物学的環境をより密接に模倣しているため、培養実験では非常に望ましいものです。ただし、3D培養物は、細胞外マトリックスの細胞密度や分布など、初期培養条件の変動のために再現可能な実験結果を生成できないことが多いため、そのような変動を減らすことが最も重要な懸念事項です。ここでは、ゲルキューブ培養装置の初期セルクラスター形状を制御することによって得られる、非常に再現可能な実験結果を示す3D培養プラットフォームを提示します。目的の形状を備えたマイクロマールドは、フォトリソグラフィまたは機械加工によって製造され、デバイスに含まれる細胞外マトリックスに3Dポケットが作成されました。次に、高濃度のヒト気管支上皮細胞をポケットに注入して、細胞クラスターの形状が製造されたカビの形状と一致するようにしました。その後、立方体装置は多方向スキャンを提供し、低倍率のレンズのみで組織構造全体の高解像度キャプチャを可能にしました。提案されたデバイスは、開発された分岐パターンの再現性を大幅に改善し、多方向スキャンにより、開発された枝パターンの形成の定量分析を可能にしました。分岐パターン形成のメカニズムを明らかにするために、数学的シミュレーションも実施されました。提案されたプラットフォームは、組織の再生や医薬品開発を含む3D培養実験を実施する研究分野を加速する可能性を提供します。

Three-dimensional (3D) cell and tissue cultures more closely mimic biological environments than two-dimensional (2D) cultures and are therefore highly desirable in culture experiments. However, 3D cultures often fail to yield repeatable experimental results because of variation in the initial culture conditions, such as cell density and distribution in the extracellular matrix, and therefore reducing such variation is a paramount concern. Here, we present a 3D culture platform that demonstrates highly repeatable experimental results, obtained by controlling the initial cell cluster shape in the gel cube culture device. A micro-mould with the desired shape was fabricated by photolithography or machining, creating a 3D pocket in the extracellular matrix contained in the device. Highly concentrated human bronchial epithelial cells were then injected in the pocket so that the cell cluster shape matched the fabricated mould shape. Subsequently, the cubic device supplied multi-directional scanning, enabling high-resolution capture of the whole tissue structure with only a low-magnification lens. The proposed device significantly improved the repeatability of the developed branch pattern, and multi-directional scanning enabled quantitative analysis of the developed branch pattern formations. A mathematical simulation was also conducted to reveal the mechanisms of branch pattern formation. The proposed platform offers the potential to accelerate any research field that conducts 3D culture experiments, including tissue regeneration and drug development.