Advancing Cardiac Tissue Engineering: Melt Electrowriting Conductive Polymer-Hydrogel Scaffolds

あなたの心臓を、何百万もの小さな働き手（細胞）が完璧なリズムで鼓動することで明かりを灯し続ける、活気ある都市だと想像してみてください。時として、災難が襲います。「心臓発作」と呼ばれるそれは、ある特定の街区の働き手たちを一掃してしまい、その後に残った傷跡は、もうビートに合わせて踊る方法を知りません。科学者たちは、その空白を埋めるための「組織パッチ」という、代わりの街区を築こうとしています。しかし、心臓パッチを作ることは非常に困難です。単に正しいレンガを持っているだけでは不十分です。心臓が伸び縮みできるように、レンガは特定のパターン（格子状など）で配置されている必要があり、さらに、拍動の合図がパッチ全体に伝わるように電気を通す必要があります。もしパッチが硬すぎれば、心臓と一緒に動くことができません。もし電気を伝導できなければ、信号は途切れてしまいます。大きな問いは、「強靭で、伸縮性があり、かつ電気的に生きているスカフォールド（足場）を、どのようにして同時に作り上げるのか？」ということです。

この論文は、まさにそのパズルに深く切り込んでいます。彼らは「メルトエレクトロライティング（MEW）」と呼ばれる、ハイテクな3Dプリント技術を使用しています。MEWを、極めて精密なホットグルーガンだと考えてください。それは、微細で完璧に整列した糸を描き、20層の菱形ネットワークを構築します。研究者たちは、このネットの骨格を作るために、ポリカプロラクトン（PCL）というプラスチックから着手しました。彼らの最初のアイデアは、プリントする前にポリピロール（PPy）、ポリアニリン、あるいはグラフェンオキサイドのような導電性材料をプラスチックに直接混ぜ込み、スレッド全体を導電性を持たせるというものでした。しかし、それはうまくいきませんでした。これらの材料を混ぜると、「糊」が精密にプリントするにはあまりにもドロドロとした状態になり、結果として得られたスレッドも、仕事をこなすのに十分な導電性を持ち合わせていなかったのです。

そこで、チームは異なるアプローチを試みました。完成して完璧にプリントされたスレッドに対して、導電性のコーティングを「塗る」という方法です。彼らは2つの手法をテストしました。スレッドに薄い金の層を吹き付ける方法（金スパッタコーティング）と、スレッドの上に直接PPyの層を成長させる方法です。どちらの手法も、繊細なスレッド構造を壊すことなく、スカフォールドを導電化することに成功しました。しかし、人間由来の心筋細胞（hiPSC-CMs）を、ゼリー状のハイドロゲルとともにこれらのスカフォールド上に植え付けてみたところ、結果は大きく異なりました。金のコーティングを施したスカフォールドが勝者となりました。その上の細胞は、本物の心臓のように、強く同期したリズムで共に鼓動し始めたのです。一方で、PPyコーティングを施したスカフォールドは失敗に終わりました。それらは導電性こそ持っていたものの、コーティングによって構造が硬く、硬直したものになってしまい、それが物理的に細胞の動きや収縮を妨げてしまったのです。

研究者たちは、電気そのものが細胞を成長させ、成熟させているのかを確認するために、細胞の「日記」（遺伝子発現）を調べました。その結果、単に高い電気伝導性があるだけでは、細胞の成熟を促すには不十分であることが分かりました。この論文は、成功する心臓パッチの秘訣は、単に電気を加えることではなく、パッチの機械的な柔軟性と電気的特性の間の完璧なバランスを見つけることにあると示唆しています。もしパッチが硬すぎるなら、たとえどれほど電気をよく通したとしても、細胞は自らの役割を果たすことができません。この研究は、将来の心臓パッチに向けた明確なガイドラインを提示しています。すなわち、メカニクス（機械的特性）とアーキテクチャ（構造）を別々の問題としてではなく、一つのチームとして、共に設計しなければならないということです。