3Dプリントを自然と科学の観点から見ると、あなたの運命を変えるのに役立ちます！

出典: 博嗣科技

2009 年に最初の 3D バイオプリンターの製造に成功し、『タイム』誌によってその年の 50 大発明の 1 つに選ばれて以来、3D バイオプリンティングは急速な発展を遂げてきました。 2014年、軟骨組織が設計され、印刷されました。2015年、ハーバード大学のジェニファー・ルイスのチームは、3Dプリントされた腎尿細管に関する論文をScientific Reportsに発表しました。2016年には、3Dプリントされた組織や製品が臓器移植に使用され始めました。Nature Biotechnologyは、構造的に安定し機能的な人間の耳器官、骨、筋肉組織を構築できる、Integrated Tissue and Organ Printing (ITOP)と呼ばれる3Dプリント技術を発表しました。 2017年、米国ノースウェスタン大学は、Nature Communication誌で卵巣構造の3Dプリントの先駆者となったと発表しました。2018年には、ウェイクフォレスト再生医療研究所のアンソニー・アタラ博士がラットの心臓細胞を使用して、機能的かつ収縮性のある心臓組織の3Dバイオプリントを行いました。

図 1. 3D 印刷プロセスの一部を示す図。3D バイオプリンティング技術は、コンピューターの 3 次元モデルを「設計図」として使用し、特殊な「バイオインク」を組み立てて、最終的に人工臓器やバイオメディカル製品を作成する新しい技術手段です。この技術が成熟すれば、将来私たちは自分の運命をコントロールできるようになるのでしょうか?患者にとって朗報でしょうか?

3Dプリント臓器は、将来の臓器移植手術のための臓器源の1つと考えられていますが、現在の3D臓器では、気管や血管など、臓器内の小さな管をシミュレートすることはできません。これらの血管ネットワークは、生物物理学的および生化学的に互いに絡み合って複雑な3次元輸送システムを形成しますが、その製造と研究は依然として難しく、実用性に限界があります。 2019 年、3D バイオプリンティング業界は新たな大きな進歩を遂げました。

3Dプリントで作られた初の完全な心臓
4月15日、テルアビブ大学のタル・ドヴィル教授ら研究者らは、患者自身の細胞と生体材料を使用して世界初の3D血管付き心臓を印刷し、その研究結果をAdvanced Science誌に発表した。また、細胞、血管、心室が詰まった完全な心臓の設計と印刷に成功したのも今回が初めてです。しかし、現在製作されている3D心臓は収縮はできるものの、血液を送り出す機能などはまだ備えていない。これはソーシャルメディアやWeChatモーメンツ上で広範囲に渡って白熱した議論を引き起こした。

この技術は、患者の体から脂肪組織を抽出し、細胞性および非細胞性の材料を処理して、さまざまなパーソナライズされたバイオインクを形成します。この技術の可能性は、個人の解剖学的構造だけでなく、生化学的および細胞的成分と正確に一致する血管化された心臓構造を設計する能力にあります。前にも述べたように、バイオインクは同じ患者から採取されるため、設計されたパッチは移植後に免疫反応を引き起こさず、免疫抑制療法の必要はありません。研究者らはCTスキャン技術を用いて心臓の全体構造を描き出した。CTスキャンでは得られない微小血管網構造については、数学モデルを用いて各領域の酸素消費量を計算し、血管の方向を合理的に割り当てた。現在の技術的要件により、研究者が印刷したのはチェリーほどの大きさの「ミニバージョン」のみでした。心臓細胞と血管を備えた構造的に完全なこの心臓は、その後、この人工心臓を臓器移植に使用することの実現可能性を研究するための動物実験に使用されます。

図2. 3Dプリント心臓のモデリングと設計プロセス
アクティブマイクロ構造の 3D プリント<br /> 先ほど、細胞の成長を誘導し、組織の成熟を促進するために不可欠な複雑な 3 次元微細構造を構築するための適切なバイオファブリケーション技術が不足していることについて言及しました。その中でも、中枢神経系 (CNS) 構造の 3D プリントは、おそらく CNS 構造の複雑さが原因で、ボトルネックの時期を迎えています。先日 Nature Medicine に掲載された記事では、マイクロスケールの連続投影リソグラフィーを使用して、脊髄再生医療に応用できる複雑な中枢神経系構造を作成できるとしています。この技術では、げっ歯類の脊髄サイズに 3D バイオニックハイドロゲルスキャフォールドを印刷でき、人間の脊髄サイズに拡張することもできます。研究者らは、神経前駆細胞を充填した足場が、げっ歯類の軸索再生をサポートし、新しい「神経リレー」を形成し、脊髄損傷部位をまたぐ能力をテストしました。損傷した宿主軸索が 3D バイオニック足場に再生し、デバイスに埋め込まれた神経前駆細胞とシナプス反応を起こし、足場から損傷部位の下の宿主脊髄まで軸索を伸ばしてシナプス伝達を回復することがわかりました。この 3 次元生体模倣足場は、精密医療を通じて中枢神経系の再生を促進する方法を提供します。

図3. 3Dプリント心臓のモデリングと設計プロセス
「呼吸」できる 3D プリント肺構造 最近、ワシントン大学のケリー・R・スティーブンス教授とライス大学のジョーダン・S・ミラー教授が率いる研究チームが、「生体適合性ハイドロゲル内の多血管ネットワークと機能的血管内トポロジー」と題する論文をサイエンス誌に発表しました。彼らは、臓器移植の分野に革命的な変化をもたらすと期待される新しい印刷システムを構築しました。この研究はサイエンス誌の表紙を飾った。

研究者は、生体適合性と細胞適合性が強い食品着色料を使用してハイドロゲルを製造しています。食品着色料添加物は、投影型立体造形法の光吸収剤として機能します。システム内のハイドロゲルは、青色光に遭遇すると固体状態に変わります。同時に、臓器の2D断面に応じて青色光を放射し、臓器層を層ごとに追加して、最終的にそれらを組み合わせ、完全な3D臓器モデルを作成します。このようにして作成された 3D 臓器は完全な内部血管構造を持つことができ、効果的な血管内 3D 流体ミキサーや機能的な僧帽弁などの構造を数分以内に完成させることができます。彼らはさらに、空間充填数学的位相幾何学から複雑な微小血管ネットワークを解明し、潮汐換気と近位気道拡張中のヒト赤血球の酸素化と流れを調査しました。テストで使用される 3D 肺モデルは、「呼吸」プロセスを完了できます。さらに、構造的に生分解性のハイドロゲルキャリアを慢性肝障害のげっ歯類モデルに導入し、この材料革新の潜在的な応用可能性を強調しました。

図4. 3Dプリントされた肺胞構造モデル細胞から組織、臓器まで、著者は3Dバイオプリンティングの将来に自信を持っています。科学者たちは、臓器移植や再生医療への応用を促進するために懸命に取り組んでいます。 2019年以降、3Dバイオプリンティングはより微細な構造と生物学的活動に向けて発展を続けています。まだ道のりは長いかもしれませんが、上記からこの技術は実現可能であることがわかります。

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