細胞培養における足場（スキャフォールド）

足場の役割

細胞培養における足場は、以下のような役割を果たしています：

物理的支持

• 足場は細胞が「張り付く」場所を提供し、細胞が形態を維持しながら増殖できるようサポートします。特に接着性の細胞は、足場がなければ適切に増殖・分化できないため、物理的支持が重要です。

三次元構造の形成

• 足場があることで、細胞は立体的な形状を持つ組織として成長できます。これにより、皮膚、軟骨、骨、血管など、自然な組織構造に近い形で成長することが可能になります。

細胞増殖・分化の促進

• 足場材料に成長因子や接着分子が組み込まれていると、細胞は特定の信号を受け取り、分化や増殖が促されます。これにより、目的とする細胞の機能や形態が効率よく発現されるようになります。

細胞間コミュニケーションの支援

• 足場は細胞間の適切な距離感や配置を保ち、細胞間の信号伝達や相互作用がスムーズに行われる環境を提供します。これにより、組織としての機能が高まり、組織全体がまとまりやすくなります。

足場の種類と特徴

再生医療や組織工学において、さまざまな材料や構造を持つ足場が開発されています。代表的なものを以下に示します：

天然由来の足場材料

• コラーゲン：人体にも存在するタンパク質で、生体適合性が高く、皮膚や軟骨の再生に利用されます。
• ヒアルロン酸：細胞の水分保持能力を高め、特に軟骨組織の再生に効果的です。
• アルギン酸：海藻由来の多糖で、三次元構造の形成に優れ、骨や軟骨の再生に利用されています。

合成足場材料

• ポリ乳酸（PLA）、ポリグリコール酸（PGA）：分解性プラスチックで、生体内で分解されるため、術後に除去する必要がありません。骨や軟骨などの硬組織の再生に適しています。
• ポリエチレングリコール（PEG）：生体適合性が高く、薬物や成長因子の運搬にも使用されます。

ハイドロゲル

• ゲル状の柔らかい足場材料で、細胞を取り囲む柔軟な環境を作り出します。水分保持が良好で、細胞に対して自然な環境を提供できるため、軟骨や神経組織の再生に適しています。

デセルラライズド組織

• 生体由来の組織（例：動物の皮膚や血管）から細胞を除去し、ECM（細胞外マトリックス）だけを残したものです。天然の組織構造が保たれているため、細胞の増殖や分化に優れた環境を提供します。

足場の設計と課題

足場は、細胞の種類や再生させたい組織に合わせて設計される必要があります。また、以下のような課題も存在します：

1. 生体適合性
   足場材料は、体内に移植される際に拒絶反応を引き起こさないように生体適合性が求められます。特に合成材料の場合は、生体内での反応を考慮して開発が進められています。
2. 分解性と吸収性
   多くの足場材料は、再生が完了した後に分解され、体内に吸収されることが理想的です。分解の速度は、再生する組織に合わせて調整される必要があります。
3. 物理的特性
   足場の強度や柔軟性、浸透性は、再生させる組織に合ったものである必要があります。例えば、骨の再生には硬い足場、軟骨や皮膚には柔らかい足場が求められます。
4. 微細構造と細胞への影響
   足場の微細構造（例えば、ナノファイバーや多孔質構造）は、細胞の挙動に大きな影響を与えます。適切な孔径や繊維状構造が細胞の成長に好ましい環境を提供するため、微細構造の設計は重要です。

足場と再生医療の展望

足場は、再生医療における三次元組織や臓器の再生に不可欠な要素です。技術が進歩することで、より生体内の環境に近い足場材料が開発され、再生医療の成功率が高まっています。また、3Dプリンティング技術の進化により、個別患者に合わせた足場の設計が可能になり、精密で効果的な治療が期待されています。

記事の監修者

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皮膚科専門医

岡 博史 先生