Gelatin and PLG-based Scaffolds Differentially Support Follicle Integrity and Oocyte Growth in a 3D printed Scaffold

生命を脅かす癌に直面している多くの子供たちにとって、その命を救う治療そのものが、将来の生殖能力を奪ってしまうことがあります。化学療法や放射線治療は、卵子を生成し不可欠なホルモンを分泌する器官である卵巣を損傷させることがよくあります。成人であれば、医師は将来の使用に備えて卵巣組織を凍結保存できることがありますが、この手法は子供には危険です。子供の卵巣には凍結可能な個別の成熟卵が存在せず、また、自身の組織を再移植することは、もし病気がそこに転移していた場合に癌細胞を再導入するリスクを伴います。これを解決するために、科学者たちは異なる種類の解決策、すなわち「バイオプロセティック卵巣（生体人工卵巣）」の研究に取り組んでいます。これは、孤立した卵胞（卵胞と呼ばれる小さな卵の袋）を保持し、体外で使用できる準備が整うまで成長・成熟させるために設計された、微細な多孔質構造である「スキャフォールド（足場）」から構築される人工器官です。目標は、この工学的な支持システムによって損傷した組織を置き換え、体がホルモンを生成し、最終的に健康な卵子を放出できるようにすることです。

課題は、この足場を構築するための最適な材料を見つけることにあります。卵胞は繊細な三次元構造であり、成長するにつれて拡張できるようにしながらも、しっかりと保持されなければなりません。それは、植物が根を張り花を咲かせるために適切な土壌を必要とするのと同じように、周囲の支持細胞と相互作用し、栄養を受け取る必要があります。研究者たちは以前、コラーゲンに由来するゼラチンという材料を使用してきました。これは、体の自然な環境を模倣し、細胞がそれに付着するのを助けるためです。より最近では、超多孔質の合成材料である「ウルトラフラフィー・ポリ（乳酸-グリコール酸）」（UF-PLG）についても検討が行われました。この材料は非常に軽く、自重の何倍もの液体を吸収できるため、異なる種類の構造を提供します。問題は、どちらか一方の材料が明らかに優れているのか、それとも両方を組み合わせる必要がある異なる強みを持っているのかということでした。

研究チームは、これらの材料を直接比較することに乗り出しました。彼らは3Dプリンターを使用して、純粋なゼラチン、純粋なUF-PLG、そしてUF-PLGをゼラチンでコーティングしたハイブリッド版の3種類の物質から、微小な足場を作成しました。彼らは、球状の卵胞を物理的に受け止めることができる角を作るために、60度の角度で5層のストラット（支柱）を配置した特定の幾何学的パターンを用いてプリントしました。次に、若いマウスの卵巣から、砂粒ほどの大きさの小さな卵の袋である二次卵胞を取り出しました。各卵胞を3種類の足場のいずれかに配置し、栄養豊富な液体中で2日間、4日間、または6日間成長させました。科学者たちは、強力な顕微鏡下で卵胞を観察し、どの程度しっかりと付着しているか、形状を維持できているか、そして中の卵がどれだけ成長したかを確認しました。

結果は、性能の明確な分かれを示しました。純粋なゼラチン製の足場は、卵胞を安全かつ確実に保持することにおいて極めて優秀でした。これらの足場に置かれたほとんどの卵胞はしっかりと付着しており、構造的な完全性、つまり卵を包む保護層が壊れない状態を維持していました。また、ゼラチンは周囲の支持細胞が足場へと移動し、卵胞を包み込むようにして、強固で統合されたユニットを作り出すことを促しました。対照的に、純粋なUF-PLGの足場における卵胞の経過は芳しくありませんでした。ほとんどの卵胞は構造から完全に脱落し、留まったものも多くは破裂して保護殻を失いました。これら2つの材料を組み合わせたハイブリッド型の足場は、付着に関しては中間的な結果を示しましたが、成長に関しては驚くべき利点を示しました。

ゼラチンの足場は卵胞を所定の位置に保持することには優れていましたが、中の卵を完全なサイズまで成長させるという点では最適ではありませんでした。研究者たちは、卵が受精可能な状態にあることを示す指標となる「発達能」を確認するために、卵の直径を測定しました。マウスの場合、卵が受精可能なレベルとされるには、直径がおよそ70〜72マイクロメートルに達する必要があります。ゼラチンの足場上の卵は成長しましたが、この目標値よりも小さいままでした。しかし、ハイブリッド型のUF-PLG-ゼラチン足場上の卵は、この基準を上回る大きさまで成長し、平均直径は75.6マイクロメートルに達しました。このことは、ゼラチンが構造を維持する上では優れていた一方で、ハイブリッド材料が卵がより自由に膨張できる環境を提供したことを示唆しています。

研究者たちはまた、足場をより硬くすることで結果が変わるかどうかについてもテストを行いました。彼らは、材料を固める「糊」の役割を果たす化学的な架橋（クロスリンキング）の量を増やし、これによりゼラチンの足場が著しく硬くなることを確認しました。しかし、この硬さの変化は、卵胞の付着具合や卵の成長量に劇的な変化をもたらしませんでした。材料そのものの違いの方が、その硬さの違いよりもはるかに重要であったのです。この発見は、材料の物理的な硬さよりも、その化学的な性質こそが卵胞の挙動を左右する主要な要因であることを示唆しています。

これらの知見は、人工器官の構築における新しい考え方を提示しています。長い間、科学者たちは、組織をしっかりと保持し、かつ成熟を助けるという、すべてを完璧にこなす単一の材料を見つけ出したいと考えてきました。本研究は、そのような「万能な」材料は存在しないかもしれないということを示唆しています。むしろ、卵胞が求める「安定性」と、卵が求める「成長」へのニーズは異なるのです。ゼラチンは構造を維持するための安定性を提供し、一方でUF-PLG成分は、卵がその潜在能力を最大限に発揮するために必要な空間や信号を提供しているようです。これは、将来のバイオプロセティック卵巣は、複数の材料を巧みに配置し、卵胞のための安全な住処を提供すると同時に、卵が成熟するための寛容な環境を同時に提供するように構築される必要があることを意味しています。開発の段階ごとに異なる物理的環境が必要であることを理解することで、科学者たちは、癌によって失われた生殖能力を回復させるための信頼できる解決策の実現に一歩近づくことができるのです。