オランダの研究者が関節炎治療のための3Dバイオプリント生体組織を開発

2018年7月4日、アンタークティックベアは海外メディアから、オランダのユトレヒト大学医療センター（UMC）の研究者らが、3Dバイオプリント組織の研究と、それを関節炎を患った生きた関節に移植して関節炎を治療する研究に取り組んでいることを知りました。

関節炎は関節の炎症であり、1 つの関節または複数の関節に影響を与える可能性があります。毎年10万人あたり41人が関節炎と診断されています。関節炎は不快感や痛みを引き起こし、日常の作業を困難にします。

3-D-JOINT プロジェクトの一環として、オランダの UMC ユトレヒトの Jos Malda 教授と彼のチームは、生きた関節に移植して損傷した部分を置き換え、最終的には元の健康な軟骨と同一の組織に成長できる 3D バイオプリント組織を開発しています。

幹細胞は精密な設計に従って 3D プリントできますが、それが即座に新しい臓器や体の部分に変化できるというわけではありません。

「3Dプリントはバイオファブリケーションの最終段階ではありません。ハートの形に何かをプリントしても、それがハートになるわけではないからです」とマルダ教授は語った。「印刷された構造物が機能的な組織になるには、時間と適切な化学的・生理学的変化が必要です。」

△ジョス・マルダ教授

課題の 1 つは、細胞材料の適切な条件を維持することです。バイオインクには生きた細胞が含まれているため、印刷後に形状を維持できるほどの強度がありません。科学者たちは新たな解決策を開発する必要があり、その選択肢の一つは、大きな分子のネットワークで構成された材料であるハイドロゲルを使用することです。

「バイオプリンティングでは、材料が細胞を生かし続けることができなければなりません」とマルダ教授は説明する。「これには水性条件と比較的低温での処理が必要であり、ハイドロゲルベースの材料が理想的な選択肢となります。」

しかし、ハイドロゲルは細胞を送達できるほど柔らかいものの、体内の一部の組織が受ける機械的負荷に耐えることはできません。この問題に対処するため、マルダ教授と彼のチームは、軟骨の代替品として機能するほどの強度を持つハイドロゲルを作ることができる3Dプリント材料の実験を行ってきました。

「ハイドロゲルを強化すると強度が増す。ちょうど鉄筋を柔らかいセメントと組み合わせると鉄筋コンクリートになり、それが家の基礎となるのと同じだ」とマルダ教授は語った。

彼のチームは溶融電気分解と呼ばれる3Dプリント技術を使用しており、溶融したポリカプロラクトンと電界を組み合わせて人間の髪の毛ほどの細さの繊維を形成する。研究チームはこれらのマイクロファイバーを使用して、細胞を含むハイドロゲルと組み合わせた構造を作成し、有望な結果を示しました。

「ハイドロゲルと繊維の組み合わせは相乗的に作用し、複合材の強度を50倍以上高めると同時に、細胞が細胞外マトリックスを生成し、軟骨のような組織に成熟することを可能にします」とマルダ教授は語った。

彼のチームは、骨と軟骨の組織を組み合わせた代替品としてさまざまな材料を統合しながら、より大きな構造物を作成するためにプロセスを拡大することに取り組んでいます。この方法で印刷された細胞は、失われた軟骨や骨の代わりとなるだけでなく、身体が損傷した組織を修復するのにも役立つ可能性があります。

アイルランドのダブリン大学トリニティ・カレッジのダニエル・ケリー教授は、そのようなシステムを開発するために、JointPrinting と呼ばれるプロジェクトに取り組んでいます。

「バイオプリント組織が適切な前臨床（動物）モデルで損傷した組織を実際に再生する能力があることを実証した文献の例は比較的少ない」とケリー教授は述べた。

彼は、印刷可能であるだけでなく、細胞を支えて取り囲む分子を変化させ、適切な種類の組織を生成するように指示することで幹細胞を刺激して新しい軟骨を作ることができるバイオチップの開発に取り組んでいます。目標は、新たに印刷されたこれらの幹細胞が、体内に移植されると、損傷した組織の修復を助けることです。

研究チームはまた、成長因子と呼ばれる物質を使って損傷した組織における新しい血管の形成を促進する研究にも取り組んでいる。「私たちはバイオプリント組織にVEGF（血管内皮増殖因子）を組み込むことがあります…損傷した骨や骨を成長させたい関節の領域で新しい骨血管の形成を促進するためです」と彼は語った。

「バイオプリントされた組織にVEGFの勾配を導入し、これにより宿主の血管新生（形成）をインプラントの適切な領域に誘導します。」

科学者たちは軟骨と骨に焦点を当ててきましたが、関節への要求は体のどこに位置しているかによって大きく異なります。

ケリー教授は、特殊な機械試験機を使用してインプラントの剛性と弾性を測定し、また計算モデルを使用して、インプラントの構造と構成が特定の環境でどのように調整されるかをより深く理解します。

「バイオプリンティングには主に2つの用途があると思います。1つ目は、再生医療における新しい組織や臓器の供給源として。2つ目は、人間の病気をより深く理解し、そのような病気を標的とした新薬の安全性と有効性をテストするためのツールとしてです」とケリー教授は語った。

出典: 3ders

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