南極のクマ特集: 3Dプリントされた心臓が人体への移植に近づいている

3Dプリント心臓は、誰もが注目するホットな話題です。これは誰にとっても身近なことなので、Antarctic Bearもこの技術の最新動向に常に注目しています。近年、3Dプリントされた心臓はまだ人体に移植されていないものの、大きな進歩が遂げられています。この記事では、Antarctic Bearが3Dプリントされた心臓の最新境地をご案内します。

2019年8月1日、海外メディアは、ペンシルバニア州カーネギーメロン大学（CMU）の科学者らが3Dバイオプリンターを使用してコラーゲンから機能する心臓組織を作成することに成功したと報じた。この画期的な技術により、将来的には臓器全体の作成が可能になるかもしれないと彼らは言う。

△コラーゲンとFRESHテクノロジーを使用して3Dプリントされた心臓弁
彼らは研究結果をサイエンス誌に発表したが、その中で最も重要なのは、小血管、弁、心室脈動用のコラーゲンを3Dプリントできる新しいFreeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels (FRESH)技術を開発したことだ。
科学者たちは、毛細血管から臓器全体まで、さまざまな規模で人間の心臓の構成要素を設計するために、懸濁ハイドロゲルの自由形状可逆埋め込み（FRESH）を使用してコラーゲンを3Dバイオプリントする方法を提案しました。制御された pH 駆動型ゲル化により 20 μm の解像度が可能になり、多孔質微細構造により迅速な細胞浸潤と微小血管新生が可能になり、マルチスケールの血管系と三葉弁の製造と灌流が可能になります。研究者らは、FRESH 3Dバイオプリント心臓が、マイクロコンピュータ断層撮影スキャンによって決定された患者固有の解剖学的構造を正確に再現していることを発見した。

彼らが使用した方法は、人体で最も豊富なタンパク質を使用して、これまで達成された中で最高の精度で複雑な人間の生物学的足場を複製したと報告されています。これらの構造には、プラスチック構造を作成するために使用されるほとんどの 3D プリンターよりもはるかに細かい 20 マイクロメートルのレベルで生きた細胞と毛細血管を埋め込むことができます。

「コラーゲンから心臓弁を印刷できることを示した」と、カーネギーメロン大学の生物医学工学教授で論文著者の一人、アダム・ファインバーグ氏はAFPに語った。

「まだ動物に投与していないが、人体の圧力と流量をシミュレートする試験装置を構築し、投与すると機能することを実証した」とフェインバーグ氏は語った。

研究チームは磁気共鳴画像技術を使って人間の心臓をスキャンし、患者の心臓の特定の部分を再現し、心拍の同期や弁の開閉などの成果を達成した。

△FRESH v2.0技術を用いたコラーゲンの高解像度3Dバイオプリンティング

△生体内での微小血管形成を促進するための、灌流可能なコラーゲン血管と微多孔性コラーゲン足場の最新の 3D バイオプリンティング。
長期的には、この技術は心臓や他の臓器の印刷に利用される可能性がある。米国では心臓移植を待っている人が4,000人おり、世界中でさらに数百万人が心臓移植を必要としている。

報告書では、この目標を達成するための課題として、大規模な組織のバイオプリントに必要な数十億個の細胞を生成すること、製造規模に到達すること、そして動物、そして最終的には人間での試験に関する規制手順に準拠することなどが挙げられると考えています。

△収縮性FRESH 3Dバイオプリントヒト心室モデル<br /> 動物実験では、研究チームは3Dプリントした物体をマウスの皮下に移植し、完全な血管網を生成できることが示された。

研究チームはまた、この技術を使用して、収縮機能を備えた左心室と生理的圧力に耐えられる三尖弁を印刷し、人体のコラーゲン構造の機械的完全性を実証しました。彼らは灌流を通じて血管網の開存性を検証した。最後に、研究チームは新生児の比率で人間の心臓コラーゲンモデルを印刷し、FRESH 印刷技術が「大きな」構造を実現できることを実証しました。

△ 3弁の心臓弁、マルチスケールの血管系、臓器スケールの新生児の心臓のFRESH 3Dバイオプリンティング

3Dプリント心臓の進歩

これに先立ち、アンタークティック・ベアは3Dプリント心臓の複数の進歩についても報じている。2019年4月16日、イスラエルの科学者らは、患者の人体組織を3Dプリンターで組み合わせ、史上初めて血管付き人間の心臓を作成した。

テルアビブ大学の研究チームは、人間の患者の免疫学的、細胞学的、生化学的、解剖学的特性に完全に一致する3Dプリント心臓を公開した。「細胞、血管、心室を備えた完全な心臓を設計することに成功したのはこれが初めてだ」と、テルアビブ大学分子細胞生物学・バイオテクノロジー学部の教授で、この研究の主執筆者であるタル・ドビル氏は語った。

CCTVファイナンスチャンネルも「3Dプリント心臓技術が画期的な進歩を遂げ、細胞と血管がすべて利用可能になった」と報じた。

3Dプリント生体心臓のプロセス：
細胞とα細胞物質は患者の脂肪組織から分離されます。
脂肪細胞は胚性幹細胞に変換されました。
胚性幹細胞は心臓細胞や内皮細胞などの細胞型に分化します。
コラーゲンや糖タンパク質などの材料を使用してハイドロゲルを作成し、ハートの形をした生分解性の足場や骨格を 3D プリントします。
分化した細胞は足場の対応する部分に培養され、生物学的心臓になります。
3D プリントのプロセスには約 3 ～ 4 時間かかります。

この研究では、科学者らは患者から脂肪組織を採取し、その中の細胞性物質と非細胞性物質を分離した。分離された細胞は、特別に調合された印刷材料と混合され、患者固有の心臓組織を印刷します。「心臓は、人間の細胞と、印刷プロセス中にバイオインクとして機能する患者固有の生物学的材料から作られています。糖とタンパク質でできたこれらの材料は、複雑な組織モデルを3Dプリントするために使用できます」とドヴィル博士は述べています。

△TAUの生物学的3Dプリントプロセスと、この技術を使用して作成された他のサンプル構造

△3Dプリントされたマイクロ心臓モデル構造

TAU が製造した 3D プリント心臓はウサギのサイズです。細胞を生かし、実物大の心臓に収まるまで成長させるには、バイオリアクター内で成熟プロセスを経る必要があります。成熟プロセスには約1か月かかり、その後、ウサギやラットなどの動物に移植してテストします。彼らはこれが1、2年以内に実現することを期待しています。ドヴィル氏は、「10年以内に、世界最高の病院に臓器プリンターが導入され、こうした手術が定期的に行われるようになる」ことを期待していると語った。

2017年7月14日、チューリッヒにあるスイス連邦工科大学の機能材料研究所の研究者らは、3Dプリント技術を用いて、本物の心臓とほとんど同じように鼓動するシリコン製の心臓を作成した。人工心臓は約3,000回の拍動、つまり約30分から45分間持続しました。

2018年6月28日、生物学的3Dプリンティングおよび組織工学企業であるBIOLIFE4Dは、3Dプリントされた人間の心臓組織の実証に成功したと発表しました。同社は、人間の心臓パッチを3Dプリントする能力をすでに備えており、次のステップは人間の心臓の3Dプリントに向けて前進することだと述べました。

BIOLIFE4D の 3D バイオプリンティングでは、まず患者から血液サンプルを採取する必要があります。人体のすべての細胞は同じ数の遺伝子と同じ DNA を持っているため、すべての細胞は本質的に他のあらゆる細胞に変化する可能性があります。
第二段階では、サンプル内の血液細胞が未分化の成人人工多能性幹（iPS）細胞に変換されました。
iPS 細胞は分化を通じて、人体のほぼすべての種類の特殊細胞、この場合は心筋細胞（心臓細胞）に変換されます。これらの細胞は、液体環境（ハイドロゲル）内で栄養素やその他の必要な要素と結合され、プロセス全体を通じて細胞が生き続けます。

このバイオインクは、印刷プロセス中に細胞の生存能力を保護する高度に特殊化された 3D プリンターであるバイオプリンターにロードされて印刷されます。

BIOLIFE4D の 3D バイオプリンティングプロセスは、患者自身の血液細胞を iPS 細胞に再プログラムする機能を提供します。その後、この iPS 細胞をさまざまな種類の心臓細胞に分化させることができます。この細胞は、心臓パッチとしてだけでなく、最終的には移植用の人間の心臓にも使用できます。

BIOLIFE4D は心臓病やその他の心臓損傷の治療、特にドナー臓器の必要性をなくすことで移植プロセスの改善を目指しているため、この機能は非常に重要です。

BIOLIFE4DのCEO、スティーブン・モリス氏は次のように語っています。「当初から私たちの使命は、私たちの技術を使って人命を救うことでした。今日、私たちはその目標の最終的な達成に一歩近づいたと信じています。」

専門家はサイエンス誌のオリジナル記事を読むことができます: https://science.sciencemag.org/content/365/6452/482

参考文献:
「サイエンス」、3D プリント業界、参考ニュース、3D サイエンスバレー

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