3Dプリントは移植臓器の不足を解決できるか？

ガーディアンウェブサイトは、人間の臓器を 3D でバイオプリントできる時代はどのくらい先なのかを指摘する記事を掲載しました。この技術は移植臓器の不足を解決できるのでしょうか？科学者たちは3Dプリンターを使って人間の臓器の代替品を作る研究をしている。しかし、この技術の可能性は刺激的である一方で、人間が「神の役割」を果たすようになるのではないかと懸念する声も上がっている。以前Antarctic Bearが報じたように、チューリッヒにあるスイス連邦工科大学の機能材料研究所の研究者らは、3Dプリント技術を使って、本物の心臓とほとんど同じように鼓動するシリコン製の心臓を作成した。人工心臓は約3,000回の拍動、およそ30分から45分間持続し、センセーションを巻き起こした。
チューリッヒ工科大学のエンジニアが作成した 3D プリントされたシリコン製の心臓。エリック・ガテンホルム氏が初めて 3D バイオプリンターを目にしたのは 2015 年の初めだった。当時、ヨーテボリのチャルマース工科大学で化学とバイオポリマー技術の教授をしていた父親のポールが、家族のために1台購入しました。費用は約20万ドルです。「父は『これで人間の臓器を印刷できる』と言った」とガテンホルム氏は当時を思い出しながら、そのアイデアにいまだ驚嘆している。「私は『馬鹿馬鹿しい！』と言いました。すると、軟骨が少しだけ出力されました。軟骨ではありませんでしたが、軟骨のように見えました。その瞬間、私は『これは本当にすごい！』と思いました」

長い間、通常の 3D プリンターを所有していた Gatenholm 氏は、当時、3D バイオプリンティングの分野で何かやりたいと考えていました。彼のアクセントは少し変わっているかもしれない。彼は父親が客員教授を務めていたスウェーデンと米国で育ったからだ。しかし、彼の目標と野心はよく考え抜かれたものだ。ガテンホルム氏は18歳で最初のバイオテクノロジー会社を設立し、父親が言うように機械に臓器を印刷する能力があれば、医療に革命を起こす可能性があると気づいた。

命を救う移植用の臓器が世界中で不足している。たとえば、英国では現在、国民保健サービス（NHS）による腎臓移植を受けるには平均944日間待たなければなりません。肝臓、肺、その他の臓器も不足している。移植組織の不足は米国における死亡原因の第 1 位であると推定されています。米国では、臓器移植や人工組織の移植によって、毎年約 90 万人、つまり 3 人に 1 人の死亡を予防または遅らせることができます。ご想像のとおり、移植臓器の需要は非常に大きいです。
バイオインク

3Dプリントは移植臓器の不足を解決できるか？

Cellink の共同設立者は、エリック・ガテンホルム氏とヘクター・マルティネス氏の 2 人です。ガテンホルム氏の父親は、組織工学の博士号取得を目指していた学生のヘクター・マルティネス氏と、共同研究に参加していた別の学生のイヴァン・トゥルニエ氏を彼に紹介しました。「私たちはいくつかの実験をすることについて話していました」と現在27歳のガテンホルムさんは語った。

「それで私は彼らにこう言いました。『印刷に必要なインクをオンラインで買ったらどうですか？』イヴァンは『インクなんてないから、買えないよ』と言いました。私は『どういうことですか？』と言いました。それは今まで聞いた中で最も馬鹿げた話でした。世の中にはたくさんのプリンターがあるから、インクを買えばいいんです。彼は『いや、君は私の言っていることを理解していない。インクを買うことはできない。自分で作らなければならない。何かに混ぜなければならないんだ』と言いました。それで私は『だったら自分でインクを作ればいいじゃないか！』と言いました」

Cellink は、2016 年 1 月の突然のひらめきから誕生しました。テクノロジーはSFの世界のものだが、ビジネス哲学は古典的な「剃刀と刃」に似ている。この昔ながらのモデルでは、基本的にカミソリを無料で配布し、交換可能な刃から繰り返し収益を得ます。同じことがインクジェットプリンターにも当てはまります。インクカートリッジの交換で実際に利益が得られることは誰もが知っています。

バイオプリンティングの分野では、ガテンホルム氏とマルティネス氏は世界初の標準化されたバイオインクを開発し、販売しました。これは主に、海藻から部分的に抽出されたナノセルロースアルギン酸と呼ばれる材料で作られています。 3D バイオプリンターをお持ちの場合は、インクは直接購入できる既製品です。

Cellink の影響力は、特に最近の立ち上げを考慮すると、並外れたものです。同社はイノベーションや起業家精神に関する賞を次々と受賞しており、リアリティ番組「ドラゴンズ・デン」のスウェーデン版からも資金提供を受けている。設立からわずか10か月で、ゲートンホルムは株式市場に参入し、ナスダック・ファースト・ノース市場に上場しました。同社のIPO（新規株式公開）は、予想を上回る1,070%の応募があった。

私がヨーテボリでガテンホルム氏に会ったとき、彼はまだ会社が新たに得た現金をどうするか考えているようだった。チェリンク氏のオフィスは散らかっていた。床にはアイロンが置かれ、釘にはスーツのジャケットが掛けられており、急な顧客との会議に出席できる状態だった。彼と32歳のマルティネスさんは、1日16時間働くこともよくある。「ソファーは横になるのにとても快適です」とガテンホルムさんは笑顔で語った。彼のオフィスには文字通り座る場所がなかった。 Cellink のスタッフは急速に増加したため、Gatenholm 氏と Martinez 氏の両名は新しい従業員に席を譲らなければなりませんでした。「私たちはこれを科学のために寄付しているんです」とガテンホルム氏は苦笑いしながら語った。

しかし、ガテンホルム氏が非常に明確に認識していることが一つあります。それは、今はバイオプリンティングの時代だということです。「起業家として、常にブルーオーシャンを探さなければなりません」と彼は言う。「起業家は常に『自分の代名詞になれる新しい分野はどこにあるか？何を占めることができるか？』と自問します。バイオインクとバイオプリンティングがその新しい分野だと思います。」
彼は信じられないといった様子で首を横に振った。「これまでバイオインクを作った人は誰もいなかったんです！」

ゲイテンホルム氏が喜んで認めていることの一つは、バイオプリンティングは非現実的な概念であり、倫理的な懸念を引き起こすものであるということだ。その動作原理は一般的な 3D プリントと非常に似ています。まず、コンピュータープログラムを使用して、作成したいものの仮想形状を作成し、次にプリンターでそれを少しずつ完成品に印刷します。しかし、宝石、フィギュア、自動車部品などの無生物しか印刷できない通常の 3D プリンターとは異なり、バイオプリンターは生きた組織を作成する可能性を提供します。

当初は、比較的単純な構造で体外での成長が比較的簡単な皮膚や軟骨を印刷することになるかもしれません。しかし、この技術の先駆者たちは、最終的には心臓や肝臓などの複雑な臓器をゼロから作れるようになると信じている。これらの臓器は人間への移植に使用される可能性があります。

世界中の研究<br /> 世界中の科学者や民間企業がこのようなプロジェクトに関わっています。実際のところ、ある種の競争はすでに始まっています。サンディエゴに拠点を置くオルガノボ社は2007年からこの分野に参入しており、肝臓、腎臓、心筋の印刷で一定の成功を収めている。同社は2015年に化粧品大手ロレアルと提携し、3Dプリント皮膚を提供すると発表した。彼らの最終的な目標は、動物実験の必要性をなくすことです。

ロレアルはバイオプリンティングプログラムの開発に多大なリソースを投資しています。同社は昨年9月、同社の科学者らがフランスの新興企業ポエティスとも協力していることを明らかにした。今回の目標は人工毛包を作ることです。このプロジェクトは実際には極めて複雑です。毛包にはそれぞれ 15 種類以上の細胞があり、試験管内で触媒を必要とする繊維生成の循環プロセスが伴います。
多くの人がこれを試みましたが、結局は全員失敗しました。しかし、ロレアルとポエティスは、このプロジェクトの解決に近づいていると信じている。鍵となるのは、ポエティスが開発したバイオプリンターだ。ほとんどの機械はノズルからバイオインクを絞り出すが、彼らの機械はレーザーを使って細胞を一つずつ沈着させ、細胞をまったく傷つけずに毎秒1万滴を生産する。「仕組みは実はとてもシンプルで、インクジェット印刷に似ています」と、ポエティスのCEO兼最高科学責任者であるファビアン・ギルモ氏は、この提携を発表するビデオの中で説明した。「細胞の微小液滴を表面に連続的に重ねていくことで、3D構造、この場合は生物組織を印刷することができます。」

ポエティス氏はこの革新的な技術を「4D バイオプリンティング」と呼んでいます。「第4の次元は時間です」とギユモ氏は語った。「当社のレーザー支援バイオプリンティング技術は、基本的に一度に 1 つの細胞を印刷できるため、細胞とその環境との相互作用を制御し、必要な生物学的機能を発揮させることができます。」

ロレアルは、人間の皮膚のように反応する素材で継続的に製品をテストできるようになるため、短期から中期的には日焼け止めやアンチエイジング美容液の効果がさらに高まることを期待している。将来このシャンプーを使うと、髪がもっとツヤツヤになるかもしれません。しかし、この種のテクノロジーの影響は、スーパーマーケットの化粧品売り場をはるかに超えて広がる可能性が高いことは明らかです。

もし皮膚を研究室で印刷することができれば、それが重度の火傷の治療に使われることは想像に難くない。現在、皮膚の火傷に対する最も一般的な治療法は皮膚移植手術ですが、出血や感染症を引き起こす可能性があり、回復に時間がかかるのが普通です。

一方、合成毛包の開発は、抜け毛を減らす可能性のある商品や移植への道を開きつつあるようだ。「言うまでもなく、私たちの将来の目標は、体外で作られた毛包システムを使用して革新的な分子をテストできるようにすることです」とロレアルの研究イノベーション部門のホセ・コトビオ氏は言う。「そして、髪の老化、抜け毛、髪の成長の背後にある重要なプロセスについての理解を深めることです。」

倫理的な懸念 これは氷山の一角に過ぎず、他の研究者たちは人間の臓器を作成する方法を研究しています。「バイオプリンティングは人類にとって大きな利益をもたらす」とゲイテンホルム氏は言う。「人は臓器が劣化することで死ぬ。だから死ぬのだ。体内の臓器を交換できるようになれば、寿命を延ばすこともできるかもしれない…それは素晴らしいことだ！」
これらの開発が現実のものとなるにはまだ少し時間がかかります。しかし、そう遠い未来ではありません。ガテンホルム氏は、バイオプリントされた皮膚はわずか 5 年以内に実現すると考えています。「10年以内に、部分的または全体の軟骨インプラントの症例がいくつか見られるようになるでしょう」と彼は語った。「臓器の置換は私たちが生きている間に可能になるかもしれません。」彼は笑顔で付け加えた。「私たちが生きている間に。」

必然的に、バイオプリンティングは倫理的な懸念を引き起こしました。これには、人工皮膚やインプラントの品質と有効性に関する懸念や、バイオプリンティングによって人間が「神の役割」を果たすようになるという非難などが含まれる。おそらく、これらの問題に関する最も包括的な調査は、エディンバラ大学の技術革新研究学部のチームが実施した調査でしょう。

ニキ・ヴァーミューレン博士とギル・ハドウ博士が率いる研究チームは、フランケンシュタインのバイオプリントされた怪物のようなSFファンタジーのホラーについては懸念していない。「神が存在し、生命を創造し、影響を与えることができるなら、遺伝学など、人間が神の役割を果たすことを可能にする技術はすでにたくさんある」とハドウ氏は言う。「バイオプリンティング技術により、医療用途の小さな臓器組織を作ることができる」

コストの問題<br /> 彼らは、3D バイオプリンティング技術が克服しなければならないより大きなハードルはコストだと考えています。人工臓器を作成できるようになることで、臓器移植の長い待機リストの問題が解決されるだろうと期待するのは簡単ですが、それが実現する可能性は低いです。「これは極めて高価な技術であり、もし利用可能になったとしても、それを買える人はごく少数だろう」とバーミューレン氏は警告した。「現在の健康格差や地域による医療の違いも、多くの人がこの技術を利用できない原因となっているかもしれない」

彼らは、英国国民保健サービス、米国の医療制度、その他の国で臓器移植を必要とする患者が現在直面している問題や遅延は「バイオプリンティングの時代になっても続くだろう」と結論付けている。

「比較的安価なバイオプリンターを医療システムが未発達な国に輸出すれば、人々はこうした機械による治療を受けられるようになると考えるかもしれません。しかし現実には、こうしたプリンターは、それを活用できる医療インフラが整った場所でしか使用できません。」

チューリッヒ応用科学大学で稼働中の RegenHU 3D バイオプリンター 3D バイオプリンティング開発の初期段階では、コストが障害となることは間違いありません。 EnvisionTEC の 3D Bioplotter や RegenHU の 3D Discovery などの最高級のマシンは 15 万ポンド以上もするので、通常は大学の研究室でしか見かけません。しかし、Cellink はこの状況を変えたいと考えています。同社はバイオインクの提供からスタートしましたが、すぐにハードウェア市場にも参入しました。ゲイテンホルム氏のオフィスには「ボブ」というニックネームの人がいます。これは、Cellink 社が開発した Inkredible+ 3D バイオプリンターの愛称で、ゲイテンホルム氏はこのプリンターをさまざまな展示会に頻繁に持ち込んでいます。

Cellink の 3D バイオプリンターはホテルの部屋の冷蔵庫よりも小さい Inkredible+ は魅力的なマシンです。ホテルの部屋の冷蔵庫よりも少し小さく、すっきりとした白いデザインで、青色の LED ライトが装備されています。しかし、本当に目を引くのはその価格です。 Cellink は 3 種類の 3D バイオプリンターを製造しており、価格は 7,600 ポンドから 29,900 ポンドです。ゲートンホルム氏は、非常に高価なモーターガイドシステムの代わりにコスト効率の高い 3D プリント部品を使用したことで、製造コストを節約できたと説明した。さらに、これは「カミソリと刃」のビジネスモデルにも適合します。Cellink は、3D バイオプリンターを所有する人が増えれば増えるほど、バイオインクの売上も増えることを認識しています。

ゲイテンホルム氏は、自社が 3D バイオプリンティングのコストを削減していることを誇りに思っています。 Cellink の顧客には、MIT、ハーバード大学、ユニバーシティ・カレッジ・ロンドンなどの有名大学が含まれています。同時に、同社はこの新しいテクノロジーをアマチュア愛好家にも提供しています。ゲイテンホルム氏は、これらの人々が機械やインクをどのように使うのかは知らない。おそらく、薬物をテストするために組織を印刷したり、癌の腫瘍から細胞を抽出してさまざまな方法を研究し、最適な治療法を見つけたりするのだろう。しかし、それがこの新しい技術の面白いところだ。
「多くの大手バイオテクノロジー企業は、当社の製品に憤慨しています」とゲイテンホルム氏は言う。「しかし、正直に言って、市場を動かしているのは消費者であり、消費者は当社の製品を求めています。当社の場合、がんの治療法がどこにあるのかはわかりません。インド、日本、南米、ニューヨークのいずれになるかはわかりませんが、私たちはすべての人に治療法の開発に取り組む機会を与えたいのです。」

人間の心臓を印刷するという挑戦

なぜ心臓をバイオプリントしたいのでしょうか?
心臓は、その形状を除けば、人体の中で最も複雑でない臓器の一つです。肝臓や腎臓のように複雑な生化学反応は行わず、脳などの他の臓器とは異なり、その動作原理は科学者によってすでに理解されています。これに基づくと、心臓は理論的にはバイオプリントが最も簡単な臓器の 1 つである可能性があり、バイオプリント業界にとって出発点として適していると考えられます。ヨーロッパでは心臓移植を待っている人が3,500人おり、その多くは2年以上も新しい心臓を必要としている。

心臓をバイオプリントするにはどうすればいいですか?
最も有望なアプローチは、バイオプリントされた細胞足場である可能性があります。バイオプリンターは、プラスチックや金属を印刷する 3D プリンターのように生きた細胞を層ごとに印刷して 3D 構造を形成するのではなく、まずは生分解性の心臓の足場構造 (細胞骨格に相当) を印刷するために使用されます。この足場は心臓の細胞外マトリックスを模倣したもので、細胞に構造的なサポートを提供し、細胞を本来あるべき場所へ導くのに役立ちます。次に、心臓細胞が足場に印刷され、そこで相互作用して連結し、心臓の構造を形成します。細胞が心臓の全体構造に統合された後、足場を解体することができ、移植の準備が整った完全に機能する心臓が残ります。この技術はすでに存在していますが、その応用範囲はまだ比較的小さいです。 1つの足場は機能する心筋の小片をバイオプリントするために使用され、マウスの心臓発作によって損傷した心臓を修復できることが示されました。

なぜまだ心臓をバイオプリントできないのでしょうか?
小さな筋肉片をバイオプリントすることは、心臓全体をバイオプリントすることとはまったく異なります。しかし、なぜこのようなことが起こるのでしょうか?完全な臓器を構築する上での課題が 1 つあります。それは血管です。あらゆる血管はバイオプリンティング技術を使用して作成するのが難しいことが証明されており、最小の細胞よりも小さい直径の毛細血管を作成することはほぼ不可能です。実用的な血管系を作り出すことは大きな成果となるため、NASA はそれを最初に実現した研究チームに 50 万ドルの賞金を提供する予定です。同社の血管組織チャレンジでは、試験管内で30日間生存し、血液系が完全に機能する厚さ1センチメートルの人体組織を作成した者に賞金が授与される。

人間の臓器のバイオプリントはどのくらい近づいているのでしょうか?
臓器のバイオプリンティングはいつ実現可能になるのでしょうか?予測は様々だが、あるチームは6年以内に心臓のバイオプリントが可能になると主張している。これらの技術が人間の移植に使用しても安全であると認定されるのはいつになるか、正確には誰にも分からない。しかし、現在、3Dバイオプリンティング業界で研究に取り組んでいる科学者が多数存在し、この業界では2021年までに13億ドルを超えると予想されている進歩が遂げられていることを考えると、それが私たちにとって遠い未来ではないことは確かです。

出典: NetEase Technology Report 詳しい情報:
3Dプリントされたシリコン製の心臓が3000回、30分以上鼓動を打つ

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