神経幹細胞技術と組み合わせることで、3Dプリントハイドロゲルインプラントは損傷した脊髄を修復することが期待される。

出典: 3Dサイエンスバレー

カリフォルニア大学サンディエゴ校のエンジニアと神経科学者のチームは、脊髄損傷患者の神経接続と失われた運動機能を修復するためのインプラントを3Dプリントする研究を開始した。 3D プリントされたインプラントは、マイクロチャネル構造を通じて脊髄損傷の長さに沿って神経幹細胞と軸索の成長を誘導します。現在、この研究では動物実験が行われており、良好な応用の見通しを示しています。

3D プリントされたハイドロゲル脊椎インプラント。画像: カリフォルニア大学サンディエゴ校。
神経幹細胞を充填した 3D プリントの足場<br /> この研究で使用されたインプラントは、研究者らが 3D 印刷技術を使用して中枢神経系の構造を模倣して作成したハイドロゲル構造です。3D 印刷技術により、患者の脊髄損傷の正確な解剖学的構造に合わせて、さまざまなサイズと形状で迅速に製造できます。

研究者らは、3Dプリントしたインプラント/足場に神経幹細胞を充填し、失われたパズルのピースのように脊髄損傷部位にそれを取り付けた。 3D プリントされた足場は橋のような役割を果たし、脊髄損傷の一端の再生軸索を他端に接続して整列させます。神経軸索自体はどの方向にも広がって再生することができますが、足場は軸索を一直線に保ち、脊髄の接続を完了するために軸索が正しい方向に成長するように導きます。

24 センチメートルの 3D プリント脊椎インプラント。画像: カリフォルニア大学サンディエゴ校。
このインプラントには、脊髄損傷の全長に沿って神経幹細胞と軸索の成長を誘導する、幅200マイクロメートル（人間の髪の毛の2倍の幅）の小さなチャネルが数十個含まれています。

研究チームが開発した高速3Dプリント技術により、わずか1.6秒で2mmのインプラントを製造できる。アプリケーションの要件に応じて、この高速 3D 印刷技術では、人間の脊椎構造に匹敵するサイズのインプラントも製造できます。研究者らは概念実証として、4センチメートルサイズのインプラントを3Dプリントしたが、その印刷には約10分かかった。これらのインプラントは、実際の人間の脊髄損傷部位の MRI スキャンに基づいてカスタム設計されています。

34 センチメートルの 3D プリントされた脊椎インプラント。画像: カリフォルニア大学サンディエゴ校。
動物実験では、研究者らは神経幹細胞を充填した3Dプリントインプラント（2mm）をラットの重度の脊髄損傷部位に移植した。数か月後、新しい脊髄組織が完全に再生し、ラットの脊髄の切断された端と接続されました。治療を受けたラットは後ろ足の運動機能が改善した。

動物実験のもう一つの好ましい結果は、治療を受けたラットの循環器系がインプラントに浸透して機能的な血管網を形成し、神経幹細胞の生存を助けたことです。人工組織は十分な栄養を摂取し老廃物を排出するために血管系を必要とします。

上記の研究には、工学と脊髄神経再生という 2 つの学際的なテーマが関係しています。エンジニアリングチームは、小さな生体模倣構造を作成するための次世代 3D 印刷技術の開発に取り組んでいます。チームはこれまでこの技術を使用して肝臓組織や複雑な血管ネットワークを作成しており、現在進行中のプロジェクトの一つは人工心臓組織の作成です。脊髄再生を担う研究チームは、10年以上にわたり重度の脊髄損傷の修復に関する研究に取り組んでおり、今年に入ってから、一連の新たな脊髄神経幹細胞の培養に成功した。

研究チームの次の科学研究目標は、将来の人間実験に備えて、脊髄幹細胞を充填したこの3Dプリントインプラントをより大規模な動物実験で使用することです。研究チームはその後の研究では、脊髄の足場にタンパク質を組み込み、幹細胞の生存と軸索の成長をさらに刺激する予定です。

この研究に関連する論文は、Shaochen Chen、Mark Tuszynskiらの執筆により、2019年1月14日にNature Medicine誌に掲載されました。

出典: 3Dサイエンスバレー

神経幹細胞技術と組み合わせることで、3Dプリントハイドロゲルインプラントは損傷した脊髄を修復することが期待される。

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