3Dプリントが心臓弁の漏れを予測するのに役立つ

米国では、75歳以上の8人に1人以上が心臓に中度から重度の大動脈閉塞症を発症しており、これは通常、石灰化した沈着物が弁尖に蓄積し、弁が完全に開閉するのを妨げることによって引き起こされます。こうした高齢患者の多くは開胸手術を受けられるほど健康ではないため、代わりに大動脈に挿入したカテーテルを介して弁を展開する経カテーテル大動脈弁置換術（TAVR）と呼ばれる手術で心臓に人工弁を移植する。しかし、このプロセスには課題があり、患者の心臓を実際に見ることなく、最適なサイズの心臓弁を選択する必要がある。弁が小さすぎると、弁が端から動いたり、漏れたりする可能性があり、大きすぎると、弁が心臓を裂いて死に至るリスクがある。そのため、心臓専門医は「ちょうど良い」TAVR 弁のサイズを見つけようとしてきました。

ハーバード大学のワイス生物学的工学研究所の研究者らは、心臓専門医が実際に医療処置を行う前に、さまざまなサイズの弁が各患者の独自の解剖学的構造とどのように相互作用するかを評価できる、新しい 3D プリントワークフローを開発した。このプロトコルでは、CT スキャンデータを使用して個々の患者の大動脈弁の物理モデルを生成するほか、「サイザー」デバイスを使用して最適な置換弁のサイズを決定します。この研究は、ブリガム・アンド・ウィメンズ病院、ワシントン大学、マサチューセッツ総合病院、マックス・プランク・コロイド・界面研究所の研究者や医師らと共同で行われ、「Journal of Cardiovascular Computed Tomography」誌に掲載された。

患者が心臓弁の置換を必要とする場合、多くの場合、CT スキャンを受けます。これは、心臓の一連の X 線画像を撮影して、心臓の内部構造の 3D 再構成を作成するものです。大動脈の外壁とそれに関連する石灰化した沈着物は CT スキャンで簡単に確認できますが、弁を開閉する繊細な組織の「弁葉」は薄すぎて、よく見えないことがよくあります。「心臓の解剖学的構造を3Dで再構成すると、石灰化した沈着物が弁の中に単に浮遊しているように見えることが多く、展開されたTAVR弁がそれらとどのように相互作用するかについてはほとんど、あるいは全く知見が得られません」とウィーバー氏は説明した。

この問題を解決するために、当時ワイス研究所の研究員であったアハメド・ホスニー氏は、パラメトリックモデリングを使用して弁の仮想 3D モデルを生成するソフトウェアプログラムを作成しました。このプログラムでは、CT スキャンで各患者の弁の 7 つの座標が特定されました。次に、デジタル弁モデルを CT データと統合し、弁に正しくフィットするように調整します。結果として得られたモデルには、弁葉とそれに関連する石灰化した沈着物が含まれており、物理的なマルチマテリアルモデルとして 3D プリントされました。

研究チームはまた、3Dプリントされた弁モデルにフィットし、各患者に最適なサイズの人工弁を決定するために拡張および収縮するカスタム「サイザー」デバイスも印刷しました。次に、サイザーを圧力感知フィルムの薄い層で包み、サイザーを徐々に拡大しながら、サイザーと 3D プリントされた弁および関連する石灰化した沈着物との間の圧力をマッピングしました。

「弁尖上の石灰化沈着物の大きさと位置が、石灰化した弁に対する人工弁の適合性に強い影響を及ぼすことがわかった」と、現在ダナ・ファーバーがん研究所に所属するホスニー氏は述べた。「TAVR弁は石灰化した弁に対して完全に密閉されない場合があり、こうした患者は適合性を高めるために開胸手術を受けたほうがよい場合もあります。」

さらに、柔軟な弁と硬い石灰化した沈着物を完全に統合した形状に組み込んだ 3D プリント弁モデルのマルチマテリアル設計により、人工弁の展開中に実際の心臓弁の動作をより正確にシミュレートできるほか、サイザーが拡張したときに触覚フィードバックも提供できます。

研究チームは、すでにTAVR手術を受けた30人の患者のデータを使ってシステムをテストしたが、そのうち15人は弁が小さすぎるために漏れが生じた。研究者らは、サイザーが3Dプリントされた大動脈弁のモデルとどの程度一致しているかに基づいて、各患者が受け取るべき弁のサイズと、手術後に漏れが生じるかどうかを予測した。このシステムは、患者の 60 ～ 73% (患者が受けた弁の種類によって異なります) における漏れの結果を正確に予測することができ、患者の 60% が適切なサイズの弁を受けていたことを判定しました。

「心臓弁の構造上、TAVRの合併症を起こしやすい中等度リスクおよび低リスク患者を特定できることは重要であり、これを正確に判断できる非侵襲的な方法はこれまでありませんでした。これらの患者は、TAVRの結果が不完全な場合のリスクが利点を上回る可能性があるため、手術を受けたほうがよいかもしれません」と著者らは述べています。さらに、プロセスを物理的にシミュレートできれば、バルブの設計と展開方法の将来の反復に役立つ可能性があります。

研究チームは、リーフレットモデリングソフトウェアと3Dプリントプロトコルを、使用を希望する研究者や臨床医向けにオンラインで無料で利用できるようにしました。彼らは、自分たちのプロジェクトが市場の最新技術に遅れを取らない進化型バイオメディカル設計の出発点となることを期待している。

「個別化医療の課題の核心は、1つの薬物治療がすべての患者に等しく効くわけではないという認識であり、治療は個人に合わせて調整されるべきである」とワイス研究所創設所長のドナルド・イングバー医学博士は述べた。彼はまた、ハーバード大学医学部およびボストン小児病院の血管生物学プログラムの血管生物学のジュダ・フォークマン教授であり、ハーバード大学工学応用科学大学院の生物工学の教授でもあります。「この原則は医療機器と医薬品の両方に当てはまります。私たちのコミュニティがこの分野でどのように革新を起こし、実験室から臨床実践に新しい個別化アプローチを導入しようとしているのかを見るのが楽しみです。」

出典: MDLリサーチアシスタント

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