将来的には部分的な臓器修復も実現できるバイオエンジニアリングにおける3Dプリントの5つの応用

この投稿は、Little Soft Bear によって 2016-8-19 10:09 に最後に編集されました。

医療保健の発展はテクノロジーの助けを借りて恩恵を受けています。たとえば、3D プリントにより、身体の臓器のカスタマイズされた修復がより簡単に実現できます。バイオエンジニアたちは、将来的にはこれを使って実際の細胞材料を作成できるようになるかもしれないと予測しています。このような技術は、パーソナライズされたバイオメディカル機器、組織工学による皮膚、軟骨、骨、さらには機能する膀胱の基礎を形成する可能性があります。最近の Trends in Biotechnology の特別号では、研究者らが 3D バイオプリンティングの進歩と、今後数年、あるいは数十年で実現される可能性のあるビジョンについて検討し、考察しました。

この画像は、マイクロウェルへの細胞のハイスループットバイオプリンティングのプロセスを示しています。
1. チップ上のカスタマイズされた臓器

人間の組織の構造と機能を模倣した 3D マイクロエンジニアリングシステム (「チップ上の臓器」) は、安価で効率的な個別化医療の実現に向けた競争において有力な候補です。肺、腸、膵臓の組織はすでにチップ上でヒト幹細胞から培養することができ、研究者はさまざまな患者におけるこれらの細胞の生理学的差異を理解し、薬物スクリーニングを行うことができる。臓器チップ製造の課題は、この技術の応用を迅速に拡大することであり、3D プリンティングにより、チップの構築、誘導、ニーズへの対応に必要な労力とコストを削減できます。

「3D プリントによるマイクロ流体製造とバイオプリントによる 3D 組織の融合は、ワンステップの臓器オンチップエンジニアリングに大きな可能性を秘めており、研究の柔軟性とスループットの向上を可能にします」と、マイクロ流体と臓器オンチップにおける 3D プリントの新たな用途を開発しているコネチカット大学の助教授、サバスタソグル (@SavasTasoglu) は述べています。「今後の研究では、さまざまな粘性材料を印刷できるより高度な 3D バイオプリンターを使用して、マイクロ流体プラットフォームとデバイス内でパターン化された複雑な組織を印刷および製造します。このようなクローズドで統合されたシステムにより、臓器オンチップモデルの製造が大幅に簡素化され、臓器オンチップ設計の反復が迅速化されます。」

マイクロ流体デバイスで生物細胞を3Dプリントするプロセス
3D 印刷技術は、マイクロ流体デバイスの製造とバイオプリンティングの応用において成功を収め続けています。これら 2 つの分野での急速な革新により、3D 印刷は今後数年のうちに臓器オンチップエンジニアリングのツールとなる可能性があります。現在、生体適合性印刷材料の入手可能性により、マイクロ流体チャネルとバイオプリント組織の構造寸法が制限されています。しかし、3D プリントの解像度が急速に向上しているため、近い将来、低価格の消費者向け 3D プリンターでもこの問題を解決できるようになるかもしれません。

2. スキンを作る

研究では、コラーゲンコロイドの表面に播種された細胞から印刷された皮膚は、培養後10日で細胞間のつながりと生物学的に正常な細胞のマーカーを示したことがわかった。別の研究では、研究者たちはこの細胞層の上に血管を成長させることに成功した。皮膚バイオプリンティングは想像以上に現実に近づいているようだが、火傷や慢性創傷を負った患者などを助けることができるソリューションの設計に関しては、研究者たちはまだ開発の初期段階にある。

皮膚は、複数の細胞型を含む明確に定義された空間構造を持つ複雑な器官です。「複雑な機械を使って組織を設計することが可能になりました」と、南洋理工大学およびシンガポール科学技術研究所のウェイ・ロン・ン氏と共同研究者は結論づけています。「本物の皮膚と同等の完全な機能特性を持つ皮膚を生産するというバイオプリンティングの最終目標はまだ達成されていませんが、バイオプリンティングは、色素沈着や老化した皮膚モデル、血管網、毛包の生成など、皮膚組織工学の多くの重要な側面に大きな可能性を秘めています。」全体として、ケラチノサイトと線維芽細胞からなる比較的単純な皮膚構造が、バイオプリンティング技術を使用してうまく生産されています。「生体内」研究では、これらの皮膚構造は天然の皮膚とその機能との類似点を示しました。

バイオプリンティング分野の現状では、画像データに基づいて 3D 皮膚構造を構築することができ、他の厚い組織や臓器に比べて難易度は比較的低いです。これまでの研究で示されているように、技術が成熟すれば、印刷された皮膚の構造は天然の皮膚組織と非常に似たものになるでしょう。皮膚バイオプリンティングのさらなる開発により、将来的には患者の創傷に合わせて患者自身の皮膚に適合する構造をオンデマンドでカスタマイズすることが可能になります。もう 1 つの興味深い用途は、創傷治療におけるその場での皮膚バイオプリンティングです。

3D プリント技術を使用した皮膚製造の概略プロセス商業化と規制の面では、組織工学および再生医療 (TERM) の規制プロセスと多様性が、TERM の開発に大きな課題をもたらしています。印刷構造物の商業化が成功するかどうかは、規制と助成金の承認に大きく依存します。 3D プリントされた皮膚構造には、さまざまな生体材料、細胞、成長因子が含まれています。規制当局の承認が難しいのは、臨床研究の複雑さと潜在的な危険性が増しているためです。品質管理や製造手順などの重要な基準は、バイオプリンティングにとって非常に重要です。

3. 顔の再建

骨、軟骨、皮膚、筋肉、血管、神経はすでに研究室で印刷できるが、患者に移植できるより複雑なパターンを作成する方法はまだ開発中である。頭蓋顔面再建術は、がんや顔面の損傷を患う人々を助ける可能性があり、これらの細胞タイプに関する研究はすでに行われているため、この技術がさらに開発される価値があることは明らかです。短期的には、3D プリントされた足場は、顎や顔の他の部分の点状欠損を改善するために使用できる可能性があります。

非常に複雑な構造である頭蓋顔面解剖図。さまざまなバイオプリンティング技術が有望視されていますが、現在、各組織には特定の技術が必要であるため、多細胞組織構造の印刷は困難です。「この技術は、長期にわたる（前）臨床研究、スマートポリマー、そして最も重要なバイオプリント構造の高品質な製造が必要なため、まだ長い道のりが残っています」と、アムステルダム自由大学医療センターの外科医ダフィッド・フィッシャー氏とその同僚は言う。

「皮膚や軟骨などの組織に細胞を送り込むことができる携帯型バイオプリンティング装置は、外部頭蓋顔面組織の治療に有望なアプローチとなる可能性がある」とダフィッド・フィッシャー氏は述べた。「現在、バイオプリンティング技術を最適化して頭蓋顔面領域の組織の自己治癒能力を高めることは、バイオプリンティングの臨床応用における論理的な第一歩となるだろう。」

4. 多臓器薬物スクリーニング

3D バイオプリンティングは、複数の細胞タイプで構成される「オルガノイド」や人工血管を備えた腫瘍モデルの生成など、精密なモデルによって新薬の評価方法を改善できることを実証しました。このような対策により、複数の臓器にわたる薬物相互作用をリアルタイムで迅速に監視できますが、これを実現するには、血管新生を組み込んだり、臓器モデルを接続したりするなど、複数回の反復が必要になる場合があります。

「新しい高度なバイオプリンティング技術の開発により、生理学的に重要な組織モデルの製造は、今後10年間で医薬品開発の重要なツールとなるだろう」とペンシルベニア州立大学のイブラヒム・オズボラト氏とウェイジエ・ペン氏、およびジャクソンゲノム医学研究所のデリヤ・ウヌトマズ氏は述べた。「他の3Dバイオファブリケーション技術やサポート技術と統合することで、チップ上の臓器/人体モデルやマイクロアレイをバイオプリントすることで、前臨床試験における新治療法の拒否率が大幅に低下し、新薬の開発プロセスが大幅に短縮されます。」

バイオプリントされた血管とバイオプリントされていない血管の反応の比較バイオプリントされた組織モデルとマイクロアレイは、医薬品、特に薬物動態、毒性、抗腫瘍試験において有望な技術です。薬物使用のための組織モデルおよびマイクロアレイの 3D バイオプリンティングには、貴重な関連臨床データの開示につながる可能性のある安全性および倫理的問題は伴いません。バイオプリントされたマイクロ肝臓アレイやマイクロ腎臓アレイなどの商用製品は、最近、いくつかの企業の関心を集めています。

5. 挿入可能な血管

移植後の組織の生存を確保し、人間の形態を正確に再現するには、バイオエンジニアリングされた組織内に 3D 血管ネットワークを製造することが必要です。 2D 細胞層の積み重ねや 3D ネットワークのバイオプリンティングに重点を置いており、高度な空間制御を可能にします。しかし、患者の動脈や静脈に直接接続できる血管ネットワークを備えた組織を作成することは大きな課題です。

「現在、血管新生は組織工学を臨床応用に大規模に応用する上での大きな障害の 1 つと考えられています」と、MIT とハーバード大学のブロード研究所のバイオエンジニアである Jeroen Rouwkema 氏と Ali Khademhosseini 氏は言います。「明らかに、人工組織内で効率的にパターンを形成する方法は、血管構造の初期組織化に対する最高レベルの制御を提供します。」

血管ネットワークの製造。血管細胞をモデル化するためにさまざまな方法が研究されてきました。組織内の血管ネットワークを設計する場合、量よりも質が重要であることを認識することが特に重要です。重要なのは、特定の組織量内の血管構造の数ではなく、血管網を通じて灌流される血液の量と、その血液が組織量全体にわたってどのように分布しているかです。したがって、血管網の良好な組織化と成熟が重要です。この研究では、血管新生が過剰に刺激され、血管の数が過剰になった場合、トレーサー灌流実験により、そのような血管の灌流効果は非常に乏しいことが示されました。

出典: Artery Network 詳しい情報:
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