生物学的3Dプリンティング - 外見の類似性から精神の類似性へ

著者: He Yong、テキスト/EngineeringForLife

浙江大学ジャーナルの招待を受けて、バイオ 3D プリンティングの包括的なレビューを行い、貴重なフィードバックを提供することを願って、バイオ 3D プリンティングに関するいくつかの個人的な見解を述べました。論文全文を読みたい場合は、直接ダウンロードできます (論文タイトル: Biological 3D Printing - From Similarity in Appearance to Similarity in Spirit)。

また、バイオ3Dプリンティングに関する本も執筆しています（『バイオ3Dプリンティング：医療機器製造から細胞プリンティングまで』華中科技大学出版局、12月刊行予定）。ご興味がございましたら、ぜひご覧ください。 3D バイオプリンティングに関する一般的な質問のいくつかを次のように要約し、回答します。

1. 生物学的 3D プリンティング研究とは具体的に何ですか?
広義では、バイオメディカル分野に役立つ 3D プリンティング (付加製造) は生物学的 3D プリンティングです。厳密に言えば、狭義の生物学的 3D プリンティングとは、生きた細胞を操作して活性な 3 次元構造を印刷するプロセス、いわゆるセルロードプリンティング (セルプリンティングとも呼ばれます) を指します。ここでのセル印刷は、新しいセルを印刷することを意味するのではなく、セルを印刷材料として使用することを意味することに注意してください。

細胞だけでは構造を印刷できないため、細胞とハイドロゲルを混ぜていわゆるバイオインクを形成し、バイオインクを使用して活性構造を印刷します。ここでのハイドロゲルには、印刷中に 3D 成形を実現するための接着剤として機能し、印刷後に細胞の位置を固定して細胞に体内と同様の 3D 環境を提供する、つまり細胞外マトリックス (ECM) として機能するという 2 つの機能があります。

バイオ 3D プリンティングの研究には以下が含まれます。

（1）形成過程の研究：異なる組織には異なる種類の細胞が含まれており、細胞は空間内で異なる密度で分布しています。バイオインクは、吸いやすい液体ゼリーのような感触の典型的な柔らかい材料です。そのため、3次元空間で細胞を正確に配置するための適切な印刷方法を設計することは非常に困難です。

（２）活性構造を機能的な組織・器官に変えるプロセスを研究する：新しく印刷された活性構造は、さいの目に切った果物をはめ込んだゼリーに似ています。細胞はさいの目に切った果物のようなもので、ハイドロゲルはさいの目に切った果物を包むゼリーです。しかし、実際の組織内の細胞は互いにつながっており、互いに通信し、協力することができます。そのため、構造が印刷された後、二次開発プロセスを経る必要があります。このプロセスを通じて、細胞は接続を確立し、徐々に体内の組織の機能の一部またはすべてを獲得します。

どちらの内容も非常に複雑で、多くの作業が始まったばかりです。第1の形成作業がある程度進展したとすれば、第2の機能作業は始まったばかりです。まだ道のりは長く、長い行進が始まったばかりです。

2. 生物学的3Dプリンティングは臓器の印刷を実現し、臓器の置換に使用できるか？

私は、他の研究分野の学者と報告したりコミュニケーションをとったりするたびに、この質問をされます。また、生物学的3Dプリンティングによって、肝臓や腎臓などの臓器の試験管内製造がすでに実現されており、臓器不足の問題はすぐに解決できると大まかに意味する報告もよく目にします。

私の個人的な意見：現在、関連する試みはいくつかありますが、全体として、生物学的 3D プリントが臓器の置換を実現するまでには、まだ長い道のりがあります。人間の臓器は、構造や形態の面で私たちが想像するよりもはるかに複雑です。また、臓器の成長や発達のメカニズムについても、まだ解明されていないことがたくさんあります。これまで報告されたいわゆる肝臓印刷、腎臓印刷、およびその他の研究は、実際には、臓器の多くの機能のうちの 1 つまたは 2 つを研究室で再現することに関するものです。

3. 3D 生物学的プリンティングは単なる仕掛けか、それとも単なる概念か?

これまでの見解とは反対に、生物学的 3D プリントは単なる概念であり、臓器の置換を実現することはできないので、その用途は何なのかと率直に言う学者もいました。

個人的な意見: 生物学的 3D プリンティングの現在の研究の焦点は、第一に、さまざまな病気の精密治療のための新しい研究方法を提供すること、第二に、さまざまなメカニズムの研究のために人体に近い環境を提供することです。これまでの生物学的 3D プリンティング研究の焦点は、さまざまな病気の精密治療のための新しい研究方法を提供することでした。現在、病気のメカニズムの探究は主に二次元細胞実験と動物実験に依存しています。二次元細胞実験は人体環境から遠く離れており、コストが高く、サイクルが長く、再現性が理想的ではないことに加えて、動物実験は動物と人間の内部環境にも大きな違いがあります。 3Dバイオプリンティングは、さまざまな細胞や足場材料を正確に積み重ねて、実際の臓器組織に近い構造（オルガノイドまたはミニ組織と呼ばれる）を形成でき、その細胞はヒトの細胞も使用できるため、一般的に使用されている2つの実験方法の欠点を補うことができます。現在、腫瘍モデル、薬物代謝による肝臓毒性評価、腸内微小環境の構造、心血管疾患症例の検討などの分野で、生物学的3Dプリントに関する報告が数多くあります。生物学的3Dプリント技術は、病気の精密治療において非常に幅広い応用があり、すぐに実行できる仕事でもあります。

一般的に、臓器の印刷と置換は、生物学的3Dプリント研究の長期的な目標であり、地に足をつけて一歩ずつ取り組む必要があります。現在、生物学的3Dプリントに基づいて、より正確な細胞の3次元環境を構築することは実現可能であり、オルガノイドを製造する技術も緊急に必要とされています。オルガノイドは、薬物評価に使用されるだけでなく、臓器の病気や欠陥の治療にも使用できます。

私の見解は、生物学的3Dプリンティングが徐々に組織工学や生体材料研究の基本的な手段になるということです。結局のところ、現在の従来の2次元細胞培養システム（培養皿に基づく）と体内の3次元環境の間には大きな違いがあります。

4. 生物学的 3D プリントの敷居は高く、習得が難しいのでしょうか?
バイオ 3D プリンティングは神秘的な感じがします。これは、力学、生物学、医学、材料の学際的な交差点です。この研究に取り組むのは難しいですか?

個人的な意見: この方向の研究には確かに一定の限界があります。一般的に言えば、この研究をうまく進めるには、医学と機械の分野間の緊密な協力が必要です。この研究は、機械分野ではバイオ製造、医学分野では組織工学、材料分野では生体材料の研究分野に属します。相対的に言えば、機械工学の分野は、細胞に関する基本的な概念や実験条件をゼロから構築する必要があるため、始めるのがより困難です。

当時の私の知識は高校で習った生物学程度。細胞がどのようなものかすら知らなかったと言っても過言ではありません。細胞の培養やその後の機能評価についても、全くの無知でした。私たちは2年間かけて、最も基本的な入門知識を補いました。組織工学者にとってごく当たり前のことを理解するのに長い時間がかかりましたが、幸いにも乗り切ることができました。

もちろん、組織工学や生体材料に取り組んでいる研究グループであれば、生物学的 3D プリンターを購入し、いくつかの工学的手法を習得することで、すぐに研究を始めることができます。生物用 3D プリンターには、高価で多機能な複合型と、安価で専用のカスタマイズされたプリンターがあります。機器の効率性と使いやすさの観点から、組織工学や生体材料のバックグラウンドを持つ研究グループには、専用のカスタマイズされた生物学的 3D プリンターを購入することをお勧めします。

国内の研究におけるもう一つの誤解は、高価な設備を購入すればすべてうまくいくと人々が考えていることです。実際、私は多くの研究グループが100万元以上の価値のある生物学的3Dプリンターを購入しているのを見てきましたが、その効率は非常に低いです。根本的な原因は、機器の機能を十分に活用できていないことと、生物学的 3D プリントのプロセスを理解して支援および指導できるチームが不足していることです。ハハ、宣伝させてください。私たちの研究グループが蘇州知能製造研究所で工業化した小型で特殊なポータブル生物 3D プリンターは、組織工学や生体材料のバックグラウンドを持つ研究グループ向けに設計されています。私たちは生物 3D プリンターを提供できるだけでなく、さらに重要なことに、バイオインクから特定のアプリケーションまでの全プロセスに関するガイダンスを提供できます。

5. 生物学的 3D プリント研究所を建設するには費用がかかりますか?
基本的な生物学的 3D 印刷実験室はそれほど高価ではありません。完全な生物学的 3D 印刷実験室には、細胞培養室と細胞培養ボックス、細胞凍結装置、顕微鏡やその他の検出装置、生物学的 3D プリンター、生物学的インク構成ツールなどが必要です。基本的な生物学的3Dプリント研究室は約60万～80万元で建設できる。研究グループが組織工学や生体材料のバックグラウンドを持っている場合、数台の生物用3Dプリンターを購入すれば十分であると推定されます。2台から3台の生物用3Dプリンターは、30万元から40万元で購入できます。

出典: EngineeringForLife

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