3次元細胞培養の強みとは（2次元細胞培養との比較）

2019年7月3日

2次元細胞培養と3次元細胞培養の比較

発生生物学、創薬、再生医学、タンパク質の生産などといった分野において、細胞培養技術は広く定着しています。細胞培養技術の導入当初より、細胞は、組織培養用プラスチック容器、あるいは細胞外基質（以下、ECM）に接着した状態で2次元的に（平面上で）培養されてきました。生理学的環境下では、細胞は常にECMと相互作用をしていますが、ECMは細胞遊走やアポトーシス、転写の制御、受容体の発現といった複雑な生物学的機能をコントロールしています（Kleinman, Philp and Hoffman, 2003）。

2次元環境で培養した細胞を用いるin vitroでの実験結果を、そのまま臨床試験に反映することは不可能です（Hutchinson and Kirk, 2011）。これは、細胞とECMの間の複雑なシグナルのやりとりが2次元細胞培養では再現できないことが要因です（Antoni, Burckel, Josset and Noel, 2015）。

3次元的細胞培養はこの問題を解消するものであり、in vivoの生理学的環境により近く、従来よりも優れたモデルとして登場しました。表1は2次元細胞培養および3次元細胞培養の違いをまとめたものです。

主な特徴	2次元細胞培養	3次元細胞培養	参照（PMID）
細胞の形状	平坦で引き伸ばされている	細胞の自然な形状が保たれている（楕円体をとる、または細胞極性がある）	25768338³
細胞と培地の間の接触	すべての細胞が培地成分に均一にさらされている	生理学的環境下と同様に、細胞の周囲に存在する培地成分の濃度に勾配がある。深層部よりも表層部の細胞の方がより多くの培地成分にさらされる（不均一ばく露）	15975824⁴、23501105⁵
細胞間結合	細胞間結合が見られる割合が低く、生理学的環境と異なる	細胞間結合が広く見られ、細胞間のコミュニケーションが可能	22662278⁶
細胞分化	細胞はあまり分化していない	細胞が着実に分化している	23022396⁷
薬物代謝	薬物代謝はあまり見られない	CYP酵素の発現量の増加に伴い、薬物代謝が促進されている	23728527⁸、16771648⁹
薬物感受性	細胞の薬物感受性は高く、薬物は高い効能を示す	細胞はしばしば耐性を示し、薬物の効能は低い	17711423¹⁰
細胞増殖	自然環境下と比較して細胞増殖率が高くなる	細胞の種類や3次元細胞培養技術の違いによって、細胞増殖率が上下しうる	9201511¹¹、15576192¹²
刺激への応答	機械的刺激への細胞の応答が乏しい	機械的刺激への細胞の応答が明確である	26887698¹³
生存率	サイトトキシンへの感受性が高い	より生存率が高く、外的要因への感受性が低い	17711423¹⁰
アポトーシス	薬物誘導性アポトーシスへの感受性が高い	薬物誘導性アポトーシス刺激への耐性が強化される	19020729¹⁴

表1：2次元および3次元細胞培養環境下での細胞動態の比較

さらに、いくつかの研究から、3次元環境下で培養された細胞の遺伝子やタンパク質の発現プロファイルは、2次元培養のものと異なるという報告がなされています。また、3次元培養環境下での発現プロファイルは、2次元培養環境の場合と比較して、生理学的な重要性が高いと考えられます。

3次元細胞培養の強み

3次元培養で示される細胞内外の事象は、生理学的環境下での動態に類似しており、2次元培養の場合と比較して以下のような利点があります。

3次元環境で培養された幹細胞は、著しく高い分化能を示す（Liu and Roy, 2005）。
3次元培養の場合、薬物の安全性試験や効能試験を効率的かつ比較的容易に実施できるため、製薬会社が創薬に要する期間を短縮できる（Meng, 2010）。また、3次元細胞モデルでは薬物誘導性の肝毒性を効率的に調べられる（Meng, 2010）。
3次元培養では、薬物耐性の予測に関してより良好なデータを得られる。in vivoの腫瘍と類似する3次元培養細胞群ではアルキル化剤耐性が示されている（Kobayashi, Man, Graham, Kapitain, Teicher and Kerbel, 1993）。
3次元培養モデルを用いることで、ウイルスの増殖や感染、そして病原性ウイルスと宿主の間の相互作用といった発病機序の研究が、より低いバイオセーフティーレベルで実施できる（Barrila, Radtke, Crabbé, Sarker, Herbst-Kralovetz, Ott and Nickerson, 2010）。

以上、3次元細胞培養の特徴と強みについて解説しました。この技術は、従来の2次元細胞培養に比べ、in vivo環境に近い状態で細胞を培養できることから創薬や医療など様々な分野で注目されています。また、動物実験の代替法としても期待が集まります。特徴や利点をよく理解し、研究に取り入れてみてください。

参考文献

Kleinman, H. K., Philp, D., and Hoffman, M. P. (2003) Role of the extracellular matrix in morphogenesis. Curr. Opin. Biotechnol. 14, 526–532.
Hutchinson, L., and Kirk, R. (2011) High drug attrition rates--where are we going wrong? Nat. Rev. Clin. Oncol. 8, 189–190.
Antoni, D., Burckel, H., Josset, E., and Noel, G. (2015) Three-dimensional cell culture: a breakthrough in vivo. Int. J. Mol. Sci. 16, 5517–5527.
Kim, J. B. (2005) Three-dimensional tissue culture models in cancer biology. Semin. Cancer Biol. 15, 365–377.
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