生物学的3Dプリント技術を使用して開発された多臓器マイクロ流体チップは、薬物検査の分野で使用できます。

新薬開発中の薬物毒性および副作用試験は、生物学的 3D プリント臓器または組織が商業的価値を示す最も初期の分野です。この分野では、Organovoなどのバイオ3D印刷技術企業が、バイオ3Dプリンターと成長因子やヒト細胞を含む特殊な「バイオインク」を通じて、薬物試験用の3Dプリント腎臓組織、肝臓組織、皮膚組織を開発しており、これらのアプリケーションは徐々に商業化に向けて進んでいます。
近年、米国ノースカロライナ州のウェイクフォレスト再生医療研究所（WFIRM）などの科学研究機関の科学者は、同様の生物学的3Dプリント技術とマイクロ流体チップを組み合わせて、薬物検査の分野で応用価値のある多臓器マイクロ流体チップを開発しました。複数の臓器を備えたこの種のマイクロ流体チップには、単一の 3D プリント臓器/組織と比較してどのような利点がありますか? このプロセスにおいて 3D バイオプリンティング技術はどのような役割を果たすのでしょうか?

3種類のバイオインクがチップ上に3種類の臓器を印刷
WFIRM と他の研究機関の科学者らは最近、Scientific Reports 誌に「統合型 3 組織臓器オンチッププラットフォームにおける多組織相互作用」と題する研究論文を発表しました。研究チームは論文の中で、長期にわたる前臨床および臨床試験の後、これまで予測されていなかった毒性の副作用のため、一部の医薬品が食品医薬品規制当局によって回収される可能性があると指摘した。その理由の 1 つは、医薬品開発において、人体の臓器の正常な組織機能と薬物化合物に対する反応を正確に再現できるモデルシステムが不足していることです。

画像ソース: Scientific Reports 人体の各臓器や組織は独立して存在しているわけではありません。むしろ、それらはすべて人体の中で高度に統合され、動的に相互作用する環境にあり、1 つの組織の働きは他の関連組織に影響を与えます。このような背景から、WFIRM や他の研究機関の科学者たちは、肝臓、心臓、肺の組織構造を備えた多臓器チップシステムを設計しました。研究チームは、この多臓器マイクロ流体チップシステムを通じて、組織相互作用に依存する薬物反応を観察し、標的薬物の毒性と副作用のin vitro試験における多組織チップシステムの価値を説明しました。

画像出典: Scientific Reports 研究チームは、灌流駆動型の強力な多臓器チップシステムの開発を目指しています。チップシステムは、従来のポリジメチルシロキサン (PDMS) ソフトリソグラフィーと成形によって形成されたモジュール式マイクロリアクター内に個々の組織構造が収容されるように設計されています。このシステムは直列に接続することができ、将来の研究でさらに多くの臓器組織をチップシステムに統合することをサポートします。

チップ内の心臓、肝臓、肺の組織は製造要件が異なるため、研究チームは生物学的3Dプリンターと異なる組成の「バイオインク」を使用して、3つの組織を別々に製造した。例えば、チップ内の肝臓オルガノイド用のバイオインクは、ヒトの原発性肝細胞、星細胞、クッパー細胞などの材料で構成されており、心臓組織用のバイオインクは、人工多能性幹細胞などの材料で構成されています。印刷後、研究チームはECM由来のバイオインク、またはプリオンとゼラチンのバイオタンパク質を使用して、組織をチップのマイクロリアクターに移しました。肺組織は、固定化された半多孔膜、肺線維芽細胞、上皮細胞、および内皮細胞を含む同様の要素を備えたマイクロリアクターで製造されました。

研究チームは、3つの組織の3Dバイオプリンティングを完了した後、デバイスを密封し、循環灌流システムに接続しました。チップ内の流体はマイクロ蠕動ポンプによって駆動されます。

画像出典：Scientific Reports 論文の著者の一人である Aleks Skardal 氏は、薬物検査に使用する場合のこの多臓器チップの大きな価値は、治療対象となる臓器に対する薬物の副作用を反映するだけでなく、他の臓器に対する薬物の副作用も反映できることだと述べています。例えば、多臓器チップをがん治療薬の試験に使用した場合、研究チームは肺と心臓に対する薬の副作用を同時に試験することができる。

研究者らはまた、多臓器チップシステムの主な応用分野は薬物検査であると指摘した。このタイプの多臓器マイクロ流体チップシステムを新薬検査の分野で使用すれば、薬物開発プロセスの初期段階で薬物の毒性や副作用を特定し、新薬研究開発の成功率を向上させ、研究開発コストを節約することが可能になる。さらに、このシステムは、医師が個々の患者の治療に対する反応を予測するのに役立つなど、個別化医療の分野で一定の応用価値があります。

臓器チップは近年開発された最先端の学際技術であり、これまでにない方法で人体のさまざまな生物学的行動を観察し、新薬の発見、病気のメカニズム、毒性の予測などにおいて重要な応用の見通しを持っています。この分野のマイクロ流体工学は、サンプルの準備、反応、分離、検出などの生物学的、化学的、医学的分析プロセスの基本的な操作単位をミクロン規模のチップに統合し、分析プロセス全体を自動的に完了します。生物学、化学、医学などの分野における大きな可能性により、生物学、化学、医学、流体、電子工学、材料、機械工学などの分野が交差する新しい研究分野に発展しました。
市場調査によると、3D 印刷技術とマイクロ流体チップの組み合わせは、WFIRM 研究チームが多臓器チップ内の 3 つの異なる組織を製造するために使用する生物学的 3D 印刷技術に加えて、3D 印刷装置を介してマイクロ流体チップを直接製造するという別のタイプの潜在的な用途もあります。

3D プリント技術は、複雑な機能と統合設計を備えたマイクロ流体システムの製造に利点があります。欧州のLithozや中国のBMF Materialsなどの3Dプリント企業は、マイクロ流体チップ製造の分野を研究してきました。 Lithoz はセラミック 3D 印刷技術を使用し、Mofang Materials はマイクロナノスケールの表面投影マイクロステレオリソグラフィー 3D 印刷技術を使用します。現在、3D プリント技術は主にマイクロ流体チップの設計および開発段階で使用されています。

出典: 3D Science Valley 詳しい情報:
中国の人体臓器3Dプリント技術は世界中で目覚ましい成果を上げている

生物学的3Dプリント技術を使用して開発された多臓器マイクロ流体チップは、薬物検査の分野で使用できます。

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