骨腫瘍手術における3Dプリント技術の現状と展望

血清学的骨腫瘍マーカーと骨画像技術（CT、MRI、E-CT、SPET-CTなど）の発展により、骨腫瘍の早期診断率は継続的に向上しています。同時に、術前化学療法、免疫療法、放射線療法、遺伝子標的療法などでサポートされる四肢温存療法の包括的な治療戦略、および積層造形に基づく3Dプリント技術の出現により、骨腫瘍の個別化治療が現実のものとなり、骨腫瘍患者の生存率、四肢機能、生活の質が大幅に向上しました。

3Dプリント技術は「付加製造」の代表として、従来の「減算製造」とは異なり、原材料を一層ずつ積み重ねる積層製造を通じて特殊な幾何学的形状の物体を製造します。1980年代に航空宇宙、自動車、医療などの分野に徐々に応用されました。従来の整形外科用インプラントは機械的な鍛造や鋳造によって製造されており、標準化や大量生産が容易です。長い間、整形外科手術におけるインプラントの唯一の選択肢でした。しかし、整形外科インプラント手術、特に骨腫瘍切除後の機能再建、脊椎変形矯正、重度の外傷/感染による骨欠損などの手術では、これらの標準化された整形外科インプラントの使用は不十分であり、3Dプリント技術の出現が効果的な技術的補完を提供します。

3D プリントされた骨モデル<br /> 3Dプリントされた骨腫瘍モデルを使用することで、外科医は腫瘍の局所解剖学的構造、腫瘍の範囲と境界、局所神経叢や血管束との隣接関係、隣接する内臓との3次元関係をより明確かつ直感的に観察できます。第二に、3D プリントされた骨モデルで手術シミュレーションを実行し、最適な手術計画を繰り返し実証して確認することができます。王らは、複雑な脊椎手術のための術前樹脂モデルを再構築するために3Dプリント技術を使用したことを報告しました。このモデルは、手術の進行とインプラントの正確な配置を効果的にガイドし、実際の手術時間と出血量を減らすことができます。 3Dプリントされた骨腫瘍モデルにより、医師と患者は手術前に、具体的な手術方法、手術中に遭遇する可能性のある困難、手術後に起こりうる合併症などについてより直感的にコミュニケーションをとることができるため、全体的な治療コンプライアンスが向上します。さらに、病気の物理モデルは医学生の医学教育に役立ち、3D モデルは 3D 画像よりも優れた教育効果があります。

3Dプリント手術ガイド 腫瘍の切除は、画像データの腫瘍境界に基づいて行われます。実際の手術では、腫瘍の正常な局所解剖学的構造の欠如、複雑な解剖学的構造、および腫瘍が小さいことなどにより、切除範囲が不十分または大きすぎる場合があります。 3D プリントされた骨切りガイドを使用すると、腫瘍の境界をより正確に除去し、腫瘍の再発率を減らし、人工再建のために可能な限り多くの自己の健康な骨組織を保持することができます。 Ma らは、3D 技術で設計されたガイドを使用して大腿骨遠位部の腫瘍を切除した 8 例を報告しました。結果によると、手術後 2 年間の追跡調査で局所的な腫瘍の再発は見られませんでした。 Guenette 氏は、C7 有茎類骨腫および L1 板骨芽細胞腫の治療に MRI で見える 3D プリントモデルを凍結療法に使用したことを報告しました。この技術により、病変部位を経皮的に正確に特定できます。踵骨類骨腫の場合、レン氏は3Dプリントされたガイドを使用して腫瘍を完全に除去しました。ヘルゲロ氏は死体研究で、3Dプリントされた骨切り装具によって、フリーハンド技術に比べて腫瘍骨をより正確に切除できることを実証した。

パーソナライズされた 3D プリント金属インプラント<br /> 個別化または独自性は、3Dプリントインプラントと従来のインプラントの大きな違いです。個別化されたインプラントの長さ、形状、釘穴の配置、さらには高度に複雑な3次元構造まで、コンピューターの3次元画像を通じて設計できます。同時に、効果的なサポート、瞬時の機械的安定性、骨の統合による長期安定性の実現、手足の元の外観の回復など、医師の「考え」を設計に組み込むことができ、その他多くの「贅沢な」夢が実現します。 Xu らは、上部頸椎のユーイング肉腫切除後に 3D プリントされた C2 人工関節を使用した再建症例を報告しました。術後の追跡調査では、プリントされた人工関節と局所骨組織の良好な治癒と、良好な頸椎運動機能が示されました。 Xiaoらは、頸椎腫瘍の一括切除に基づいて3Dプリント技術を使用して人工関節を再建し、臨床効果は満足のいくものでした。 Wei らは、全仙骨切除後の 3D プリント人工関節再建のための重要な外科手術技術を報告しました。

Zhang らは、コンピューターによる術中ナビゲーションの支援を受けて、仙骨と腰椎下部に及ぶ腸骨骨軟骨腫に対して 3D プリント技術を使用して骨再建を行った症例を報告しました。 Ma らは、マイクロ波アブレーション後に局所安定性を再構築するために 3D プリントされたパーソナライズされたチタンプレートを使用した、膝周囲の腫瘍の 12 例の研究を報告しました。平均 2.5 年間で、患者の膝の屈曲角度は 114 度に近づき、歩行分析の結果、患部の膝は正常な人の膝と似ていることが示されました。 Garcia-Tutor らは、手術を受けた仙骨腫瘍の 5 例について、3D 技術を使用して軟部組織欠損モデルを再構築し、広背筋皮弁を使用して局所欠損を修復した研究を報告しました。すべての症例で広背筋皮弁移植修復が完了し、吻合血管として肋骨下動脈が使用されました。皮弁は生き残り、良好に治癒しました。移植皮弁のサイズと体積は、3D 技術を使用して正確に評価できます。

ウォン氏は、3D プリント技術を使用してパーソナライズされた人工関節再建術を行った骨盤ゾーン II 骨軟骨腫の症例を報告しました。手術後 11 か月の追跡調査では、患者の歩行機能は良好で、人工関節の緩みや破損はありませんでした。 Kim らは、仙骨骨肉腫の症例を報告しました。この症例では部分的な仙骨切除術が行われ、3D プリント技術を使用して個別の人工器官を移植し、局所解剖を再建しました。1 年後の追跡調査では、人工器官と局所骨組織は良好に統合され、患者の歩行機能は良好でした。 Mobbs 氏は、C1/2 脊索腫切除後の骨欠損の再建と先天性脊椎変形の症例で、3D プリントされた人工器官を使用した前方椎体間固定術の臨床効果を報告しました。手術後 1 年間の追跡調査で、人工器官の骨への統合は良好でした。 Choy 氏は、3D プリントされた椎骨を使用して、思春期の T9 原発性骨腫瘍の治療に成功した症例を報告しました。Liang 氏と Lin 氏らも、骨盤および仙骨の腫瘍における 3D プリント技術の応用について報告しました。

3Dバイオプリンティング<br /> 3Dバイオプリンティングの究極の目標は、培養細胞、マトリックスとしての生体材料、およびさまざまな成長因子を人体の自然な構造や比率に合わせて印刷し、体外培養後に新しい人体組織や臓器を形成することです。現在、3D バイオプリンティングの研究は、主に実験的な薬物スクリーニング、腫瘍モデル、多孔質足場などに焦点を当てています。天然の生体材料には、セルロース、ゼラチン、アルギン酸塩、キトサン、合成ポリマーなどがあり、生物学的 3D プリンターの材料架橋、機械的および温度適応性、生体適合性、分解性の要件を満たす必要があります。 Wangらは、3Dプリントハイドロゲルスキャフォールドと組み合わせた脂肪由来幹細胞の骨形成特性をin vitroおよびin vivoで研究しました。その結果、骨形成関連遺伝子RUNX2およびOCNの発現がin vitro培養2週間後に検出され、in vivo実験8週間後に類骨形成が観察されました。

3Dプリント技術の安全性に関する短期追跡調査では、当初良好な臨床効果が示されました。臨床への転換と推進を促進するために、関連する標準、仕様、アクセスシステムを策定し、導入することが急務となっています。 3Dバイオプリンティング技術は、理論的には組織や臓器の再生さえも可能にします。皮膚、血管、肝臓などで画期的な成果が生まれていますが、移植条件と生物学的機能を備えたプリント臓器の構築は長期的な取り組みの方向性です。

著者: 上海交通大学医学部第九人民病院整形外科、傅凌傑出典: 中国骨関節疾患ジャーナル、第7巻第1号、2018年1月

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