ハーバード大学が血管を3Dプリントする新手法を開発、人間の臓器に近い応用効果を実現

この投稿は warrior bear によって 2024-9-19 17:19 に最後に編集されました

2024年9月19日、アンタークティックベアは、ハーバード大学ワイス研究所の科学者が、人間の血管に似た複雑な構造を3Dプリントできる新しい方法を開発したことを知りました。研究チームは、ジョン・A・ポールソン工学応用科学学部（SEAS）と協力し、機能的で移植可能な実験室培養臓器の作成に向けた重要な一歩を踏み出しました。

同軸SWIFT（co-SWIFT）と呼ばれるこの新技術は、人間の心臓組織に埋め込まれた血管のネットワークを生成することができる。これらのネットワークは、平滑筋と内皮細胞の「殻」に囲まれた中空の「コア」を特徴とし、血管の自然な構造を模倣しています。
さらに、このイノベーションは、科学者が生体マトリックス内に中空のチャネルを印刷することを可能にした以前のバイオプリンティング技術である SWIFT を基盤としています。 2019 年に開発された SWIFT は、研究者が生体マトリックス内に中空のチャネルを印刷し、生きた細胞で満たされた組織のような材料内にチャネルを作成できるようにする画期的な技術です。これらの中空のチャネルは、血管の基本構造を模倣し、栄養素と体液が組織を流れる経路を提供するために重要です。しかし、これらのチャネルは単なる中空の空間であり、真の血管を強くし、血圧環境に対応できるようにする層構造が欠けています。
科学者によると、co-SWIFT は中空のチャネルを作成するだけでなく、人体の実際の血管を模倣するために複数の層を追加することで、それを次のレベルに引き上げます。 co-SWIFT を使用すると、3D プリントされた血管には、流体が流れるコアと、その周囲を平滑筋と内皮細胞でできた外殻が囲む構造になります。この外殻によって血管は強くなり、より自然な血管に似たものになります。これらのレイヤーを追加することで、co-SWIFT は血圧を維持できるシステムを作成します。これは、元の SWIFT 方式に比べて大幅に改善されています。
△Co-SWIFT は 3D 血管を印刷し、生きた人間の組織を支えることができる分岐血管ネットワークを作成します。
SEASの大学院生であり、この研究の筆頭著者であるポール・スタンキー氏は、チームの画期的な進歩はコアシェルノズルの設計にあると説明した。ノズルには 2 つの流体チャネルがあり、1 つはコラーゲンベースのシェルインク用、もう 1 つはゼラチンベースのコアインク用です。これにより、血管は複雑な分岐構造を形成できるだけでなく、血流の内圧に耐えられるほど強くなります。研究チームは、生体組織を支えることができる血管のネットワークを構築した。
SWIFT でプリントした血管をテストするために、研究チームは細胞を含まない 2 つの材料を使用しました。そのうちの 1 つは、生きた筋肉組織によく似たコラーゲンでできていました。印刷後、ゼラチンの芯を溶かして、血液が流れる経路を残しました。研究者らはその後、血管が本物の血管のように機能するように、外殻に平滑筋細胞、内層に内皮細胞を追加した。 7日間の試験後、血管壁は強固なままであり、内皮細胞の存在により血管の透過性が低下しており、血管が正常に機能していることが示されました。
しかし、本当の試練は、科学者がその技術を生きた人間の組織に適用したときに訪れます。彼らは、臓器ビルディングブロック（OBB）と呼ばれる人間の心臓細胞の小さな塊を作り、それを圧縮して高密度の固体構造にした。この高密度マトリックスは、実際の人間の臓器に細胞が密集しているのと同様に、より組織に近い環境を作り出します。そうすることで、彼らは共同 SWIFT 法をこの生体組織内の血管の印刷に適用するための基盤を構築し、印刷された血管が実際の人間の組織内でどのように機能するかをより現実的にテストできるようになりました。
△従来のSWIFT方式（左）と共同SWIFT（右）。
血管網をマトリックスに印刷することに成功した後、ゼラチンコアが除去され、血管に内皮細胞が灌流されました。 5日間の血液灌流シミュレーションの後、心臓組織は「よく反応」し、同期して鼓動した。この同期した鼓動は、組織が健康で適切に機能していることを示しています。
科学者らは、血管が生体組織を支えることができることを実証しただけでなく、「実際の患者のデータに基づいて左冠動脈血管のモデルを3Dプリントすることにも成功し、患者固有の血管付きヒトオルガノイドを作成するためのco-SWIFTの潜在的な有用性を実証しました」と、SEASのハンスイェルク・ヴィース生物学インスパイアードエンジニアリング教授で共同主任著者のジェニファー・ルイスは述べています。
専門家はまた、研究チームがこれを基に毛細血管ネットワークを構築する計画だと指摘した。毛細血管は栄養交換を担う小さな血管であり、顕微鏡的スケールで人間の組織機能を完全に再現するために不可欠です。
移植可能な臓器を研究室で培養するまでにはまだ長い道のりがあるが、この成果は驚くべき進歩を表している。
ワイス研究所の創設所長であり、この研究の共同執筆者であるドナルド・イングバー氏は、チームの努力を称賛し、次のように述べた。「機能的な生きた人間の組織を研究室で作るのは難しいと言うのは控えめな表現です。生きた鼓動する人間の心臓組織で、より優れた血管を作れることを実証したこのチームの決意と創造性を誇りに思います。将来、研究室で培養した組織を患者に移植するという彼らの継続的な成功を期待しています。」
イングバー氏は、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のジュダ・フォークマン教授、およびSEASの生物学的にヒントを得たエンジニアリングのハンスイェルク・ウィス教授も務めています。
△ワイス研究所創設者ドナルド・イングバー氏。
この技術の潜在的な応用範囲は、臓器移植だけにとどまりません。人工臓器の作成に加えて、複雑な血管系を複製する能力は、医薬品開発、疾患モデル化、再生医療への扉を開く可能性があります。科学者は研究室でより正確な人体組織のモデルを作成できるようになり、これまでは不可能だった方法で病気を研究したり治療法をテストしたりできるようになります。
この研究は、学術誌「Advanced Materials」に「機能組織への同軸犠牲書き込みによる生体模倣血管ネットワークの埋め込み」と題する論文として発表され、海軍研究局と国立科学財団の支援を受けて行われた。この成功を基に、チームは現在、印刷された血管ネットワークの複雑さを高め、生体組織との統合を改善することに重点を置いて、co-SWIFT を次にどのように進化させるかを検討しています。

関連論文リンク: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202401528

ハーバード大学が血管を3Dプリントする新手法を開発、人間の臓器に近い応用効果を実現

金属製の3Dプリント冷却水ジャケットがHIT電気自動車チームのトラックでのレースを支援

中大大学の王山鋒チーム：新しいポリエステルバイオエラストマーのPμSL 3Dプリントにより、組織修復のための新しい戦略とメカニズムを提供

法医学者が3Dプリントを使って低コストの検死装置を開発

受賞者発表: HP 3D プリンティングデザインコンペティションが大盛況のうちに終了

ナノ多孔質金の層状3Dプリントは化学反応器の設計に革命をもたらす可能性がある

反転印刷、最大速度600mm/秒、マジックコアテクノロジーがCES 2023でKOKONI SOTA 3Dプリンターをリリース

より高品質な 3D プリント製品を手に入れたいなら注意すべき 10 のポイント

ストラタシスの最新プロジェクト：クールなセルフバランスカーを3Dプリント

Senvol は、米国海軍研究局 (ONR) 向けに、データ駆動型の機械学習付加製造 (AM) ソフトウェアを開発しています。 S...

伝統を覆し、未来を創造する: CCCC 第一工学研究所の 3D 印刷技術は、エンジニアリング建設を「インテリジェント製造」の新時代へと導きます。

推薦する

分析 | 心不全における3Dプリント技術の応用方向

JPLは、2022年に宇宙船のアンテナ、電磁シールド、金属繊維の3つの主要な積層造形アプリケーションのハイライトを発表

ストライカーの3Dプリントチタン椎間固定装置がFDAの承認を取得

AVIC MT400Mは2024年の最初の主要な技術機器として認められました

アメリカ製造業協会、製造業のイノベーションを促進するために640万ドルの持続可能な3Dプリントプロジェクトを開始

ADDiTEC は、液体金属ジェット (LMJ) とレーザー指向性エネルギー堆積 (LDED) の 3D プリント部品をレースカーに使用

学生たちは3Dプリント技術を使って高齢者の歩行を助ける歩行補助具を開発している

3Dプリンティングファームカンファレンスには200人以上が参加登録し、多数の購入要望が出ている。

3Dプリントにおけるバイオニクス

フランス政府が新たなデジタル技術開発戦略を発表、3Dプリントも含まれる

BCN3D Printingの3Dプリントファーム、独立したデュアルヘッドプリントを備えた63台のデスクトップマシン

プレビュー: 第 1 回ヘリコプター複合材料エンジニアリングおよび応用技術フォーラム

スイスのエリコンが金属3Dプリント用粉末材料を導入し、中国3Dプリント博物館に進出

西空智能製造は国家重点研究開発計画の重点プロジェクト「付加製造とレーザー製造」の研究を主導することを承認されました

名前を変えれば運命も変わる？ CELLINKは臨時株主総会を開催し、社名をBICOに変更する予定