【メディカルトーク】医療分野における3Dプリント技術の役割

1990年代から現在までの30年間で、3Dプリンティングは自動車や航空宇宙などの製造業で活用され、近年では組織や臓器を印刷したり手術を補助したりと医療業界にも応用され、生産の概念を変えてきました。医療業界では、3Dプリントされた人工肝臓組織、3Dプリントされた人工耳、3Dプリントされたクラウンなどが人々の視界に登場しています。3Dプリントは臓器移植の新たな可能性を提供し、医療業界に新たな希望をもたらします。

Nature Biotechnology にオンラインで公開された記事で、研究者らは新しいタイプの 3D 印刷技術、つまり構造的に安定し機能的な人間の耳器官、骨、筋肉組織を構築できる統合組織・器官印刷を公開しました。さらに重要なのは、これらの組織と器官がマイクロチャネルに統合されており、血管、軟骨、その他のシステムを形成して継続的に成長し、機能を発揮できることです。

この記事では、3D プリントの現状と進歩をまとめ、この技術の進歩を誰もが理解できるようにします。

【1】天才！ Maker の学生たちが、自家製の 3D プリント歯列矯正器具を使用して歯の矯正に成功しました。
3D プリント技術は、ほぼあらゆる形状を迅速に実現できるため、歯科製品は最もパーソナライズ化されているため、歯科分野での応用が急速に増加しています。しかし、そういったものの研究開発にはかなり専門的な知識や設備（高精度の3Dプリンターなど）が必要なため、今のところはある程度の規模に達した企業しか作れる能力がありません。しかし、この状況はすぐに変わるかもしれません。最近、ニュージャージー工科大学の学生、エイモス・ダドリーさんが 3D プリントを使用して、実際に機能する装具を自分で作ることに成功したからです。

ダドリーさんはブログで、歯列矯正を希望した理由として、明らかに曲がっていて見た目も良くない歯がいくつかあったためだと説明している。しかし、彼は頑固な「自分でやる」性格の持ち主だったので、歯医者には行かず、自分で問題を解決しようと決意しました。少し考えた後、彼は実現可能な解決策を思いつきました。それは、歯を3Dスキャンし、矯正器具を3Dプリントするというものでした。

【2】3Dプリント臓器の新たなブレークスルー アメリカの科学者らは、大規模な「生きた」組織を印刷できる3Dプリンターを開発した。マウスに移植されたこれらの組織は長期間生存し、徐々に周囲の組織に「統合」することができる。この新たな進歩により、科学者は実際の組織や臓器を 3D プリントし、それを臨床治療に使用することに一歩近づきました。

1986年、アメリカ人のチャールズ・ハルが3Dプリント技術を発明しました。その後の30年間、特に21世紀初頭以降、材料科学やコンピュータ技術など多くの分野の進歩に伴い、3Dプリント技術は大きく進歩しました。最近では、さまざまな 3D モデルファイルをオンラインでダウンロードし、3D プリンターを使用して自分用の小さな装飾品を印刷することができます。しかし、3D 印刷技術の応用は、人々の生活に彩りを添えるだけにとどまりません。デザイナーは 3D プリンターを使用して設計のモデルを印刷し、顧客にさらに直感的な体験を提供できます。工業生産では、3D 印刷技術を使用して製造される部品がますます増えています。たとえば、エアバスは、A350 XWB 航空機には 3D 印刷技術を使用して製造された部品が 1,000 個以上あると主張しています。科学者や医師は 3D プリンターを使用して、患者の身体的特徴に基づいてさまざまなインプラントを「カスタマイズ」し、患者の移植手術を行うことができます。

【3】3Dプリントは精密医療に役立つ 今日、3D プリント技術は人々の生活のあらゆる分野に急速に浸透しており、特に医療分野ではその発展が目覚ましいです。最大の利点は、3D プリント技術により、患者の特性や要件に基づいたパーソナライズされた製造を真に実現でき、精密医療を支援する強力な手段となることです。

昨年、米国食品医薬品局（FDA）は、完全に3Dプリントで作られた世界初の錠剤を承認した。スプリタムと呼ばれるこの薬は、米国の製薬会社アプレシア社によって開発され、てんかん治療に使用されている。この薬の承認は、個別化医療がもはや夢ではないことを意味します。まず、医薬品の有効成分の個別カスタマイズを実現できます。さらに、投与量の個別カスタマイズも実現できます。この層ごとの印刷方法により、異なる層を互いにしっかりと結合できるため、物質の最大投与量（製薬会社によると最大 1,000 mg）を 1 つの錠剤に入れることができます。これにより、患者は飲み込む錠剤の数を減らしたり小さくしたりできるようになります。 3つ目は、形状をカスタマイズできることです。これは、薬を飲むのが嫌いな子供に最適なソリューションです。3D プリント技術を使用して、さまざまな興味深い形状を印刷し、赤ちゃんに薬を飲ませることができます。第4に、3Dプリント技術は、薬剤に特殊な微細構造を与え、薬剤の放出挙動を改善し、それによって効能を高め、副作用を軽減するためにも使用できます。たとえば、Apprecia Pharmaceuticals は Zipdose テクノロジーを使用して、4 秒以上で溶解する錠剤を発売しています。

【4】ロンドンの医師が3Dプリンターの助けを借りて前立腺腫瘍の除去手術を成功させる 最近、ロンドンクリニック私立病院で、泌尿器科教授のプロカール・ダスグプタ氏が、ロンドン在住の65歳の患者、アレクサンダー・スパイロウ氏の前立腺腫瘍を無事に摘出した。この手術では、ダスグプタ氏は患者の腫瘍のある前立腺の3Dプリントモデルを使用した。この3Dプリントされた前立腺は、ロンドンクリニックの放射線科医クレア・アレンの傑作だと考えられています。腫瘍が特に重要な位置にあるため、前立腺手術に前例のない変化をもたらします。

ダスグプタ教授は次のように説明した。「これまでは、前立腺手術にロボットを使うことがほとんどでした。この方法の欠点は、触覚がないことです。3D では対象をより鮮明に見ることができ、10 倍に拡大することもできますが、究極の感覚である触覚が失われます。この患者の場合、3D モデルで腫瘍を触知でき、腫瘍が表面にどれだけ近いかを感じることができます。通常、腫瘍の位置は頭の中で想像しますが、ここでは、コンソールに座ってダヴィンチロボットを操作する間、このモデルを手に持っています。このモデルは、がん手術の精度を高めるのに役立ちます。」

【5】世界の3Dプリンティング医療市場の売上高は2019年に9億6,600万ドルに達する

3D プリンティングは、特に医療分野において、複数の垂直産業における製造プロセスに破壊的な変化をもたらしており、3D プリンティング技術の応用によって、より革新的で効率的な製品が生まれています。最近、市場調査会社 Transparency Market Research は最新の調査レポートで世界の 3D プリンティング医療垂直アプリケーション市場を分析し、2013 年から 2019 年にかけてこの市場は年間複合成長率 15.4% を記録すると予測しました。世界の3Dプリンティング医療市場の総売上高も、2012年の3億5,450万米ドルから9億6,550万米ドルに増加する見込みです。このレポートのタイトルは「医療アプリケーション市場における 3D プリンティング - 世界的な業界分析、規模、シェア、成長、傾向、予測、2013 - 2019 年」です。

報告書によると、世界の 3D プリント技術の医療アプリケーション市場は、主に以下の要因によって推進されています: さまざまな 3D プリント医療アプリケーションの数の増加、カスタマイズされた 3D プリント医療製品のトレンドの高まり、民間および政府機関からの資金提供、医療アプリケーションを拡大できる技術の進歩、3D プリントアプリケーションによってもたらされるコストと時間の削減とそれに伴う患者ケアの改善。レポートでは、3D 設計ソフトウェア企業の合併と買収もこの市場の将来の発展に重要な役割を果たすことが示されています。しかし、訓練を受けた専門家の不足と材料関連の問題が、医療用途市場における 3D プリンティングの拡大を妨げる可能性があります。

【6】Nat Biotech: 3Dプリンティングの革命的な進歩!移植可能な臓器の印刷 国際学術誌「ネイチャー・バイオテクノロジー」に最近発表された研究で、科学者らは初めて3Dプリンターを使い、生きた細胞を「インク」として用いて実物大の人間の臓器や組織を作成した。これらの印刷された構造は、体の「元の部品」を置き換えるのに十分な大きさと強度があるだけでなく、カスタマイズして機能させることもできます。

ある研究者は「この技術は、人間のサイズに適合するあらゆる形状の安定した組織を生産できる。さらに開発が進めば、生体組織臓器の印刷や外科的移植に利用できるようになると期待される」と語った。

これまで、バイオプリンティング技術は、脳や腎臓組織など、いくつかの小型または極度に単純化された臓器のレプリカを印刷するために使用されており、科学者はこれらの印刷された臓器を研究に使用し、実験動物の一部を置き換えることができますが、臓器移植に使用できる大型で安定した生体を印刷できる研究はこれまで行われていませんでした。最大のハードルの一つは、印刷プロセス中に細胞を生かし続けることと、酸素供給を維持する血管など、臓器の機能を維持するために必要なすべての部品を組み立てることだ。

【7】10cmの3Dプリント生体血管を2分で製造。成都で世界初

3日の記者会見で、華西都市報の記者である羅秦氏は、成都市党委員会常務委員でハイテク区党工委書記の呉凱氏に質問した。成都ハイテク区が自主モデル区の建設を加速する上での革新的な成果について語る際、呉凱氏は世界初の生物血管プリンターを例に挙げ、成都国家自主イノベーションモデル区の世界をリードする実力を実証した。

3D生物血管印刷技術は、人間の臓器を再現することを可能にする。プリンターに液体や粉末などの「印刷材料」を装填し、コンピューターに接続した後、コンピューターの制御下で「印刷材料」を一層ずつ積み重ね、最終的にコンピューター上の設計図を物理的な物体に変えていく。これは誰もがよく知っている3D印刷技術だが、成都ハイテク区のバイオテクノロジー企業では、科学技術者が実際に生物血管を印刷することができる。

呉凱氏は同社が世界初の3D生体血管プリンターを発売し、人間の臓器再生を可能にしたことを紹介した。この技術は完全に独立した知的財産権を有しており、最近、全国的な「大衆起業とイノベーション」週間で発表され、幅広い注目を集めました。

記者は、この「成都製」の3D生物血管プリンターが、わずか2分で、血管の独特な中空構造やさまざまな種類の細胞の多層構造まで含めて、長さ10センチの血管を印刷できることを知った。

【8】3Dプリントは神経細胞の損傷の修復を助ける 神経疾患は常に医療従事者を悩ませてきた難しい問題です。その中で、神経細胞の損傷は神経疾患の重要な原因です。したがって、これらの病気を治療する場合、損傷したニューロンをどのように修復するかが科学者が直面する最大の課題となります。人々は損傷したニューロンの再生を促進する効果的な方法を模索してきました。現在、ミネソタ大学、プリンストン大学、その他の研究機関の研究者らは、3Dプリント技術がこの問題に予想外の役割を果たす可能性があることを発見しました。

科学者たちはマウスを使った実験でこの考えを確認した。彼らはまず3Dスキャンを使用してマウスの坐骨神経の輪郭を取得し、次に3Dプリント技術を使用して、神経再生を促進できる化学成分を含むシリコンの足場を作成しました。研究者らは、この足場をマウスの坐骨神経の損傷部位に外科的に移植した。10～12週間の培養後、マウスの障害された運動機能は著しく改善された。

研究に参加したマイケル・マカルパイン氏は、この結果は3Dプリント技術が複雑な神経機能の回復を促進する上で重要な役割を果たすことを示していると述べた。同様の研究で、3Dプリント技術が線状ニューロンの再生を助けることがこれまでにも示されてきたが、この技術が坐骨神経ニューロンなどの複雑なニューロンの感覚機能と運動機能を回復するために使用されたのは今回が初めてである。

【9】人間の組織の3Dプリントを実現するには？
カナダのバンクーバーに拠点を置く Aspect Biosystems は、3D バイオプリンティングとヒト組織工学を専門とする、受賞歴のあるバイオテクノロジーのスタートアップ企業です。同社は、3Dプリントによって完全な生物学的機能を備えた人間の組織を生産できる3Dプリンターを製造しており、これは危険な薬物や実験的な薬物の試験に使用でき、最終的には移植可能なバイオプリント臓器を生産できる可能性がある。

Aspect Biosystems は、カナダのブリティッシュコロンビア大学の研究者グループによって設立され、当初は同大学のメンター起業家組織である entrepreneurship@UBC から資金提供を受けました。同社の独自のバイオプリンティング技術は、生きた細胞材料を液化したハイドロゲルに入れ、それを3Dプリンターに注入し、層ごとに特定の形状に押し出すというものである。生成された生きた生物学的構造は、機能し始め、生物学的機能を備えた生きた組織を作成できるように、培養および培養されます。

近年、動物をさらなる危害から守るために、薬物検査の代替方法の必要性がますます高まっています。さらに、動物実験では多くの病気や症状に対して一貫性のない、あるいは偽陽性の反応が出るため、人間の臨床試験でそれをシミュレートすることは不可能です。バイオプリントされた人間のような組織を薬物試験に使用すると、動物試験に固有の信頼性の低さを排除し、薬物開発にかかる費用を節約できます。

【10】生体材料：3Dプリントされた脳組織は脳疾患の研究に使用できる 脳は、約 86 億個のニューロンを持つ非常に複雑な構造です。現在、研究者が直面している課題は、研究者が脳の構造について詳細な研究を行えるように、デスクトップの脳組織を作成することです。国際誌「バイオマテリアルズ」に最近発表された研究報告によると、海外の研究者らは脳組織の構造をシミュレートすることで神経細胞を組み込んだ新しい3Dプリント層状構造を開発した。

デスクトップの脳組織の価値は非常に大きいため、多くの製薬会社は臨床試験で新薬のさまざまな効果を確認するために、動物モデルで治療薬の反応をテストするために何百万ドルも費やしていますが、人間の脳が動物の脳とどの程度異なるのかはよくわかっていません。実際の脳組織を正確に反映するベンチトップ脳組織は、薬物の効果だけでなく、統合失調症や神経変性脳疾患などの脳障害の発症機序の研究にも役立つ可能性があります。

【11】今回は3Dプリント技術が1型糖尿病患者に恩恵をもたらす

1型糖尿病患者にとって、「膵島移植」と呼ばれる実験的な手術は、インスリン欠乏の問題を解決するのに役立つ可能性がある。この手術は、健康なドナーから採取した膵島細胞を1型糖尿病の患者に移植するものだが、副作用として、患者は移植された異物細胞を体が拒絶するのを防ぐために生涯にわたって免疫抑制剤を服用する必要がある。最近、科学者たちは、3Dプリントされた足場を使用して移植された膵島細胞を保護するという新しい方法を発見しました。この技術は大きな可能性を秘めており、1 型糖尿病患者が病気をより容易に管理するのに役立つことが期待されています。

1 型糖尿病の人は、低血糖を非常に恐れています。低血糖は、めまい、発汗、さらには意識喪失や死亡を含む一連の合併症 (低血糖) を引き起こす可能性があるためです。 Diabetes UKのデータによると、1型糖尿病患者の約3分の1が低血糖症に苦しんでいる。

膵島移植手術の成功率を向上させ、1型糖尿病患者の生活の質を高めるために、オランダのトゥエンテ大学の研究者らは膵島細胞を保護するための特殊な足場装置を開発した。彼らのアイデアは、3Dプリントされた足場デバイスを使用して、膵島細胞を患者の免疫系による攻撃から保護し、よりよく機能するための条件を作り出すことです。

【12】自然：3Dプリントされた人間の臓器が復活
3D プリントの登場により、人間の機械を置き換えたり、強化したりすることを目的とした人工臓器への関心が高まっています。

ニュージャージー州のプリンストン大学とボルチモアのジョンズ・ホプキンス大学の研究者らが開発した外耳のプロトタイプなどの印刷された臓器が、4月15日から17日までニューヨーク市で開催される3Dプリンティング会議で展示される予定だ。外耳はさまざまな材料から印刷されます。ハイドロゲルは耳のような足場を形成し、細胞は成長して軟骨を形成し、銀ナノ粒子はアンテナを形成します。このデバイスは、増え続けるさまざまな 3D プリントアプリケーションの一例にすぎません。

業界最大のイベントとされるニューヨークのカンファレンスでは、数多くのガジェットや新製品が紹介される予定だ。しかし、これは人間の臓器を印刷する新興市場についての真剣な議論も引き起こすだろう。

出典：雲南医師

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