奇跡!科学特集: 3Dプリントされた「呼吸」できる人工臓器はコインほどの大きさしかない

奇跡!科学特集: 3Dプリントされた「呼吸」できる人工臓器はコインほどの大きさしかない
出典: 学術誌、サイエンス

南極のクマの紹介: 最近、人間の臓器の 3D プリントは継続的に進歩しています。2019 年 4 月、CCTV はイスラエルの科学者が 3D プリンターを使用して患者の人体組織を結合し、血管を備えた人間の心臓を作成したと報じました。 5月にアメリカの科学者たちは、3Dプリントが肺機能のシミュレーションに成功したという重要な論文をサイエンス誌に発表した。

原文: 最近、サイエンス誌は画期的で重要な論文を発表しました。米国のライス大学とワシントン大学が主導する研究は、「3Dプリント臓器」への大きな障害を克服し、臓器移植の状況に革命的な変化をもたらすと期待されている。この研究は、その重要性から、この号のサイエンス誌の表紙にも掲載されています。


写真は、肺機能をシミュレートするハイドロゲル 3D プリントで作られたエアバッグです。肺と同じように周囲の血管に酸素を運ぶことができます。この一見単純な機能は、かつては「3Dプリント臓器」にとって乗り越えられない障壁でした。


「機能的な組織代替品を作る上で直面する最大の障害の一つは、組織に栄養分を運ぶ血管を印刷できないことだ」と、研究の責任著者の一人であるジョーダン・ミラー教授は述べた。「さらに、人体の臓器にはそれぞれ独立した管路系があり、肺には気道と血管があり、肝臓には胆管と血管がある。これらの絡み合った管路網は生理学的にも生化学的にも相互に関連し、その構造は組織の機能と密接に関係している」。臓器を3Dプリントする過程で複数の異なる管路系をいかに考慮するかが、科学者たちの研究の焦点となっている。


▲印刷された「肺」全体はコインほどの大きさにも満たない

この問題を解決するために、チームは新しい 3D プリント技術を使用しました。まず、コンピューターの設計に従って、3次元の複雑な構造を多層の2次元印刷設計図に分解します。次に、液体のハイドロゲル溶液を使用して設計図に従って印刷し、特殊な青色光で層ごとに固めます。これらを層状に積み重ねることで、立体的なゲル構造が形成されます。研究者らは、印刷された構造は柔らかく、生体適合性があり、内部に微細な構造(解像度10~50ミクロン)を持っていると述べている。さらに重要なのは、わずか数分で印刷を完了できることです。

ところで、面白いエピソードがありました。ゲルが青色光を効果的に吸収し、凝固を促進するために、研究者らはさまざまな方法を試した。最終的に彼らが選んだのは食品着色料でした…それは大学院生の発案によるものでした。






▲デザインから印刷までの全工程

研究者らは、この 3D 印刷システムの実現可能性を複数のモデルで検証しました。彼らは、印刷された「血管構造」自体は、血流によって破裂しないほど硬いことを発見した。さらに、吸入と呼気のシミュレーションにも耐えることができます。実験中、研究者たちは、このシステムによって印刷された「血管」を赤血球が流れると、呼吸する「肺」から効果的に酸素を得ることができることを発見し、喜んだ。これは、肺胞付近での酸素交換とまったく同じである。

研究者らは、印刷した肝臓組織に一次肝細胞を移植し、慢性肝障害のあるマウスに移植した。研究では、これらの肝細胞が体内でも生存できることが示され、人工血管がこれらの細胞に栄養素を効果的に送達できることが示唆された。








▲今後はより複雑な構造の適用も期待される

「組織工学は、既存のボトルネックのために、私たちの世代ではほとんど進歩していません」と、バイオエンジニアリング教授でこの研究の共同執筆者であるケリー・スティーブンス氏は語った。「この研究により、印刷された組織が健康な組織のように『呼吸』できれば、健康な組織のように機能するかどうかについて、より深く理解できるようになります。これは重要な問題です。バイオプリントされた組織をどれだけ効果的に作れるかは、治療としての成功に直接影響します。」

サイエンス誌の特集記事紹介では、印刷されたミニ臓器は直接的に「小さな奇跡」と呼ばれています。世界中の科学者がこの技術をより簡単に利用できるようにするために、研究者たちはこの研究を「オープンソース」にすることを決定しました。彼らは、この技術の助けにより、人々が3Dプリント臓器に対する理解を深め、最終的には「人工臓器」の市場投入を加速させ、臓器移植を必要とする膨大な数の患者に利益をもたらすことを期待している。

原著論文: https://science.sciencemag.org/content/sci/364/6439/458.full.pdf

編集者:チュー・シュティン

担当編集:徐奇敏





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