2016 年の生物学的 3D プリントの 8 つの重要な成果

この投稿は Little Soft Bear によって 2016-7-12 14:48 に最後に編集されました。

バイオメディカル3Dプリント技術は長年にわたり、3Dプリント業界全体の中で最も「ハイエンド」な位置にあり、3Dプリント業界の塔の上の「真珠」として知られています。この分野の発展は私たちの将来の生活のあらゆる側面に関わってきます。今日、世界中の科学者や業界団体の継続的な努力により、生物学的 3D プリント技術は新たな成果を生み出し続けています。
1. ロレアルは3Dプリントした人工皮膚を使って化粧品をテストしている

この技術の商業化は多くの観察者を驚かせたが、このニュースは少なくとも動物保護活動家たちに安堵のため息をもたらした。これは化粧品会社とシリコンバレーのコラボレーションです。ロレアルUSAと3Dバイオプリンティング企業オルガノボは最近、本物の人間の皮膚に非常に近い皮膚組織を共同で開発し、ロレアルがそれを製品のテストに使用すると発表した。 Organovo の技術は、主に特定の組織の設計構造を最初に確立し、次に「バイオインク」、つまり実際には細胞を使用して組織を印刷します。この技術により、組織を垂直に印刷して層状に形成することもできます。

ロレアルはオルガノボと提携する以前から、すでに試験管内皮膚組織を使った事業を行っていたが、それでもより新しく、より効果的な技術を試すことを選択しており、新しい技術によってバイオエンジニアリングのコストも削減される可能性がある。いずれにせよ、ロレアルのこの動きは多くの動物保護活動家の支持を得るだろう。ロレアルのテクノロジーインキュベーターのグローバル副社長であるギーヴバルーシュ氏はウィメンズウェアデイリー紙に次のように語った。「当社はずっと以前から実験に動物を使うのをやめ、代わりに多くの予測モデルや人工皮膚組織を使ってテストしています。創造性があれば、より多くの異なる分子や有毒成分の副作用をテストして、安全性と有効性を確保することができます。」

輸入化粧品は動物実験を義務付けられているため、中国ではかつて化粧品の試験問題は敏感な問題だった。しかしロレアルは、中国の化粧品業界の基準が国際基準を満たし、動物実験の代替手段を見つけられるよう、規制の枠組みを変えるために中国の権威ある組織と協力し始めたと述べた。中国は2014年以降、動物実験への依存を減らし始めている。国内の美容製品メーカーはさまざまな実験方法を選択できるが、輸入ブランドは依然として動物実験を受けなければならない。 3Dプリント技術はロレアルにさらなる可能性をもたらしました。人々のニーズに合わせて、色や形などさまざまな製品をカスタマイズできます。たとえば、顧客がスターバックスのグリーンが好きなら、シミュレーションされた肌を使って、このグリーンがまぶたに似合うかどうかを確認できます。ロレアルは、この新しいテクノロジーがブランドの更新速度、イノベーション能力、サプライチェーンを改善できれば、テクノロジーこそが未来であると考えています。しかし、Wiredによると、ロレアル・グループが新たな市場を模索しており、火傷患者などの医療分野に関与する可能性があると推測する人もいるという。

2. バイオプリンティングペン「バイオペン」発売

生物学的 3D 印刷技術は常に人々に拍手喝采を浴びせています。数十日間生存できる 3D 印刷された大脳皮質組織であれ、マウスに移植された 3D 印刷された卵巣であれ、人々に信じられない気持ちにさせることがよくあります。最近、オーストラリアのウーロンゴン大学の研究者らが、生物界の3Doodlerともいえる生物用3Dプリントペンを開発しました。このペンはバイオペンと呼ばれています。その魔法は、医師が手術中にこのペンを使って患者の損傷した骨や軟骨組織に直接細胞を「描く」ことができることです。

これらはすべてどのように行われるのでしょうか?バイオペンには幹細胞を含む生物学的インクが含まれており、それがアルギン酸（海藻抽出物）などのバイオポリマーで包まれ、外側はハイドロゲルの層で保護されていると考えられています。これらのインクは骨に直接押し付けられ、ペン本体の紫外線によって固まります。これらの幹細胞は人体の中で増殖し、神経、筋肉、骨細胞から分離して、最終的に組織を形成します。この研究は、ある程度、軟骨組織修復手術に革命的な影響を与えています。軟骨組織が損傷した後、どのような形の人工軟骨を移植するかを決めるのが難しいことがよくあります。今では、損傷した部分をバイオペンで埋めるだけで、軟骨組織は自然に回復します。

さらに、このソリューションは、回復と再成長を加速するために特定の薬剤を使用してさらにカスタマイズすることもできます。バイオペンの現在のプロトタイプは、医療グレードのプラスチックとチタンの3Dプリントで作られており、非常に軽く、消毒も簡単であることが分かっています。これまでのところ、3Dプリントペン「バイオペン」から絞り出された細胞の生存率は97％を超えています。完全な研究報告は学術誌「バイオファブリケーション」に掲載される予定です。

3. ETHチューリッヒが人間の臓器の印刷に成功

世界的に有名な工科大学 ETH チューリッヒが開発した最新の 3D バイオプリンティング技術は、患者が外科的移植による悪影響を最小限に抑えるのに役立ちます。これは主に、患者自身の体からの細胞組織の培養と 3D プリントを通じて行われます。マーシー・ゼノビ・ウォン教授とそのチームは、健康科学技術学部の軟骨組織工学および再生組織研究所の3Dバイオプリンティング技術を使用して、バイオポリマーと軟骨細胞を使用して耳と鼻を作成しました。プリンターには、それぞれ対応する生物学的物質が充填された 8 本の注射器を支える回転ホイールが付いています。スタッフはコンピューターでプリンターを制御し、システム操作に従って機械で軟骨の鼻を層ごとに印刷します。これには約16分かかります。
印刷材料は、まず膝や指など患者の体の生体組織細胞から採取され、その後研究室で培養され、複製されます。このプロセス中にバイオポリマーが追加され、最終的にこれらの材料がプリンターの注射器に入れられ、義肢が印刷されます。実際、これらの人工器官が人体に移植されると、人体の細胞組織がそれを「飲み込み」、正常な輪郭のみを呈示します。数か月後、インプラントは正常なものと区別がつかなくなりました。縫合が必要となるため、3D プリントされた義肢が身体にフィットする部分には多少の傷跡が残ることに留意する必要があります。
3Dバイオプリンティングの利点は明らかです。たとえば、移植後に免疫拒絶反応は起こりません。結局のところ、すべては体の肉と血液から来ているからです。さらに、この義歯は現在の金属インプラントとは異なり、本体と融合します。この移植手術は、障害を持つ子供にとって特に有益です。ゼノビ・ウォン教授とそのチームは、細胞組織は「対称的」である必要があり、特定の臓器を印刷したい場合は、同じ機能を持つ自己組織から印刷材料を抽出すべきだと考えています。たとえば、耳を印刷する必要がある場合は、軟骨組織または別の耳から原材料を抽出する必要があります。

4. 生物学的3Dプリントで印刷された厚い血管組織が利用可能

ハーバード大学ジョン・A・ポールソン工学・応用科学大学院（SEAS）とハーバード大学ワイス生物学的インスパイアード工学研究所の科学者チームは、ヒト幹細胞、細胞外マトリックス、および内皮細胞で覆われた循環チャネルを使用して、厚い血管組織構造を3Dプリントする方法を開発した。その結果、深部組織内に含まれる血管のネットワークにより、体液、栄養素、細胞成長因子が組織全体に均等に灌流されるようになります。この大きな進歩は、2016 年 3 月 7 日に Proceedings of the National Academy of Sciences 誌に掲載されました。
これまで、さまざまな種類の細胞を使ってより大きな人間の組織を構築する過程で科学者が直面した最大の障害は、生命を維持する血管ネットワークを組織内に埋め込む信頼できる方法がないことでした。これは、ルイス氏と彼のチームの研究結果の大きな意義でもあります。ルイス氏と彼女のチームは、これまでの研究に基づいて、3Dプリント可能な組織の厚さを約10倍に増やし、組織工学と修復の次のステップへの大きな道を開いたと理解されています。このアプローチでは、血管導管を生きた細胞と細胞外マトリックスと組み合わせることで、構造が生きた組織のように機能することを可能にします。この研究では、ルイス氏と彼の研究チームは、3D バイオプリント組織が 6 週間以上にわたって生体組織構造のような機能性を維持できることを実証しました。

この研究で、ルイス氏のチームは、結合組織に囲まれたヒトの骨髄幹細胞を含む厚さ数センチの組織を3Dプリントするプロセスを実証した。組織の機能性を実証するため、科学者らは骨を強化する成長因子を補助血管系を通じて注入し、その後1か月かけて幹細胞が骨細胞に成長するよう誘導した。血管系には実際の血管と同じ内皮細胞があることは言及する価値があります。ルイス教授の新しい3Dバイオプリンティング法は、カスタマイズ可能な3Dプリントシリコン型を主として使い、プリントされた組織構造を収容しサポートするものと理解されています。研究者たちはまずこの型に血管の格子を印刷し、次にその上に生きた幹細胞を含むインクを印刷した。これらのインクは自立型であり、層ごとに堆積されるにつれて構造のサイズが大きくなっても、その形状を維持できるほど強力であることに注意することが重要です。研究者たちは、この基本的な血管グリッド内の交差点に血管柱を印刷し、それらが互いに接続して、幹細胞が詰まった組織全体に遍在する微小血管ネットワークを形成します。印刷後、線維芽細胞と細胞外マトリックスで構成された液体が 3D 印刷された組織の周囲の空き領域を満たし、その構造全体を架橋します。

得られた軟組織には血管が満ちており、研究者らはシリコン型の両端にあるポートを通じて組織に栄養分を注入し、細胞を生かし続けることができる。遍在する血管系は、組織全体のあらゆる場所に細胞成長因子を送達することで幹細胞の分化を促進します。研究者らは、3Dプリントされたシリコン型の形状を設計し、細胞インクを異なる細胞タイプと混合することで、さまざまな形状、厚さ、組成の組織を作成できると述べています。

5. 科学者は3Dプリントした卵巣をマウスに移植し、妊娠に成功した。

最近、米国ノースウェスタン大学の科学者らが3Dプリンターを使って人工卵巣を作成し、卵巣を摘出されたマウスに移植した。その後、マウスは妊娠に成功した。科学者らは、2016年4月2日に開催された内分泌学年次会議「ENDO 2016」で研究結果を発表した。研究者たちは、この技術を利用して、女性の生殖能力を回復させるために体内に移植できる卵巣バイオプロテーゼを開発したいと考えている。この技術は、幼少期にがんを発症し、最終的には生き延びる人々に利益をもたらす可能性があると考えられています。なぜなら、統計的には、こうした人々は成長するにつれて不妊になるリスクが高まるからです。成人の 250 人に 1 人が小児がんを生き延びていると推定されています。
研究者らは3Dプリンターを使用して、ホルモン産生細胞と成熟した卵細胞（卵母細胞）を支える生物学的足場を作成した。バイオスキャフォールドは、動物のコラーゲンから得られる生体材料であるゼラチンによって支えられています。科学者たちは、手術中の操作を容易にするのに十分な硬さを持ちながら、卵母細胞の成長、血管新生、排卵をサポートするのに十分なスペースも備えた足場を作成するために生物学的原理を利用した。研究者たちは、ヒト細胞培養に取り組む際、細胞を複数の点で固定できるように、水平方向と垂直方向に交差する足場設計が最適であると判断しました。スキャフォールドは、中央に卵母細胞があり、その周囲をホルモン産生細胞が取り囲む球状の組織である卵胞を植え付けて作られる生物学的補綴物です。

インプラントをテストするために、研究者らは実験用マウスの卵巣を摘出し、卵巣生体プロテーゼと置き換えた。その後、マウスは排卵し、健康な子犬を出産し、その子犬を育てることができました。さらに、卵巣バイオプロテーゼを移植されたマウスは発情期、つまり女性ホルモン周期も回復した。研究者らは、同様のインプラントが、生まれつき卵巣機能不全の、あるいは病気や治療により卵巣機能不全になった女性がホルモン周期を維持するのに役立つ可能性があると理論づけている。これらの女性は生殖ホルモンの産生が減少する傾向があり、思春期に問題が生じ、その後は骨や血管の健康に問題が生じます。科学者らは、移植された足場構造がマウスの血管の成長を支えたが、その過程を刺激する物質は一切使用していないと述べた。研究者たちは、人間の生物学からヒントを得た製造技術を使用して、人間の組織と相互作用できる足場を開発した。ラロンダ氏は、この技術は将来、より複雑な軟部組織の置換に活用される可能性があると述べた。

6. 科学者が軟骨の代わりとなる3Dプリント可能なバイオガラスを開発

英国の科学者らは、軟骨を模倣し、その再生を促進する可能性を秘めた素材を開発した。軟骨は関節と脊椎の間にある柔らかい結合組織で、損傷すると修復が困難です。インペリアル・カレッジ・ロンドンとミラノ・ビコッカ大学の研究者らは、本物の軟骨の衝撃吸収性と耐荷重性を模倣したバイオガラス素材を開発した。特定の配合によってさまざまな特性を発揮できます。科学者たちは、これを利用して椎骨間の損傷した軟骨板を置き換えるインプラントを開発したいと考えている。

研究者らはまた、軟骨が骨の衝撃を和らげるのと同じように、バイオガラスを机の上で跳ね返らせることで、バイオガラスの衝撃吸収特性を実証した。科学者たちは、この治療法には膝の軟骨細胞の成長を刺激する可能性があるとも考えている。これは従来の方法では不可能だったことだ。バイオガラスはシリコンとポリカプロラクトンと呼ばれるポリマーで構成されていることが分かっています。柔らかく、強く、耐久性があり、弾力性があるなど、軟骨のような特性を示すことができます。これは生分解性インクの形で製造することができ、研究者はそれを特定の構造に3Dプリントして、試験管内での軟骨細胞の形成と成長を促進することができる。

また、損傷を受けたときに自己修復する能力も示しており、この特性により信頼性の高いインプラントとして使用するのに理想的であり、インクの形で 3D プリントするのも容易です。さらに、研究チームは、椎間板損傷患者に代替治療の選択肢を提供できる製剤を開発した。脊椎の軟骨が変性すると、患者に大きな痛みを引き起こす可能性があります。現在最も一般的な治療法は椎骨を固定することですが、この方法は患者の運動能力に影響を与えます。科学者たちは、本物の軟骨と同じ機械的特性を持つ合成バイオガラス軟骨ディスクインプラントを開発できると考えています。
研究チームは、膝軟骨が損傷した患者の治療を改善するために別の製剤も開発した。現在、外科医ができることは、傷ついた軟骨を修復するために瘢痕のような組織を作ることだけだが、ほとんどの患者は最終的に関節置換手術を受けることになり、運動能力が低下する。研究者たちは、バイオガラス「インク」を使用して、小さな生分解性の足場を3Dプリントすることを目指しています。これらの生分解性の足場は、膝関節の実際の軟骨の構造を再現するテンプレートを提供します。スキャフォールドが移植されると、バイオガラスの構造、剛性、化学的特性が、小さな孔を通して軟骨細胞の成長を刺激します。科学者たちは、この足場は時間の経過とともに体内で安全に分解され、元の軟骨と同様の機械的特性を持つ新しい軟骨がその場所に残ると予想している。
研究チームは現在、研究を次の段階に進めるために英国工学物理科学研究会議から資金援助を受けている。今後、研究室でこの技術に関する一連のテストを実施し、インプラントを挿入する外科手術の方法を開発する予定だ。また、同社はいくつかの企業パートナーと協力して、この材料の 3D 印刷技術の開発に取り組んでいます。しかし、この技術の 2 つの用途 (膝関節と椎間板) には、臨床使用に至るまでに克服すべき規制上のハードルがまだ数多く残っています。研究チームは、これら2つの技術が市場に投入されるまでにはさらに10年かかると見積もっている。彼らは、インペリアル・カレッジ・ロンドンの技術商業化パートナーであるインペリアル・イノベーションズと共同で特許を申請した。

7. シンガポール、放出速度を制御できる3Dプリント錠剤を開発

2015年、アメリカの製薬会社Apreciaは、独自のラミネーション技術ZipDoseを使用して、世界初の3Dプリント薬であるてんかん治療薬Spritamを開発し、製薬業界に新たな章を開きました。この薬は現在FDAの承認を受けており、米国で正式に販売されている。現在、シンガポール国立大学（NUS）の科学者たちは、この点でさらに大きな進歩を遂げました。彼らは、投与量だけでなく放出速度も制御された錠剤を3Dプリントしたのです。従来の大量生産された錠剤と比較して、このタイプの錠剤は、さまざまな患者に合わせて調整するとより効果的です。
これは確かに注目すべき成果であると言えます。なぜなら、現在の一般的な錠剤の放出速度は制御できず、一定の値にしか維持できないため、患者は錠剤を数錠に分けて数回に分けて服用する必要があるからです。これは不便なだけでなく、特に複数の薬を同時に服用している場合、薬の効能を追跡することが難しくなります。さらに、臨床診断によって薬剤放出速度の要件が異なり、患者にとって適切な速度の範囲は通常は狭い範囲に限られます。しかし現在、これらの問題はNUSの3Dプリントタブレットによって解決されています。 NUSの錠剤の放出速度を制御できるのは、表面腐食性ポリマーでできた殻で薬剤を覆っているためだと理解されている。このシェルは 3D プリント技術によってさまざまな形状に作ることができ、これらの形状によって放出速度が決まり、これが鍵となります。理論的には、このアプローチは任意の放出率を達成できます。

さらに、従来の方法と比較して、この新しい技術には他にも多くの利点があります。たとえば、わずか 2,000 米ドル (約 13,000 人民元) の 3D プリンターを使用して実行できるため、より安価で、実装が簡単で、高速です。さらに、操作も非常に簡単です。特別なソフトウェアを使用し、いくつかの簡単な手順に従うだけで、3D プリント可能なタブレットテンプレートを生成できます。プロジェクトリーダーのソ・シウ・リン教授は、複雑な方法と高コストのため、医薬品のカスタマイズは長い間実現が困難だったが、この新しい方法にはこうした問題がなく、これは現在の製薬業界に革命をもたらすだろうと述べた。現在、NUS チームは、薬物送達効率をさらに最適化することを期待して、より多くの材料の組み合わせを研究しています。同時に、彼らはこの新しい技術をできるだけ早く商品化することを望んでおり、パートナーも探している。

8. 微生物3Dプリンティングにおける新たなブレークスルー

英国シェフィールド大学の科学者らは、生物環境で安全に使用できるシルク製マイクロロケットの開発において大きな進歩を遂げた。ウィスコンシン大学マディソン校の化学および生物工学の研究者らは、革新的な 3D インクジェット印刷法を使用することで、極小サイズの絹製水泳装置の開発に大きな前進を遂げました。このシルクデバイスは生分解性があり、設置されている生物学的環境に完全に無害であることが分かっています。これは、これらのデバイスが将来、薬剤の送達や癌細胞の検出など、人体内での用途に使用される可能性があることを意味します。
さらに、この新技術により、研究者は安全で無毒な材料を使用できるようになり、マイクロロケットが生体組織や生物環境に害や損傷を与えることはありません。これは大きな進歩です。なぜなら、これまでこのような装置は高価で製造が複雑だったからです。これらの装置はポリスチレンの微小球、カーボンナノチューブ、金属で作られることが多く、うまく泳ぐためには表面を触媒層（プラチナなど）で覆う必要があります。しかし、これらの装置は設置されている生物環境に優しくないことが多いのです。シェフィールド大学の科学者が 3D プリントしたシルクロケットは、長さ 300 ミクロン、直径 100 ミクロンで、これは人間の髪の毛の太さに相当します。興味深いことに、このマイクロシルクロケットは、配置されている生物学的液体環境内で燃料を得て前進することができます。

科学者たちは、溶解した絹と酵素を混ぜた溶液を使用して、これらのマイクロロケットを初めて作成するための新しい反応性インクジェット印刷方法を発明したと理解されています。この方法の鍵となるのは溶液です。溶液ができたら、科学者はそれを 3D インクジェットプリンターに入れて、インクを層ごとに重ねて堆積させ、通常のインクジェット印刷のようにロケットを作成するだけです。次に、科学者たちは印刷した溶液の上にメタノールの層を印刷し、それが反応を引き起こして前者が硬いロケットの形になり、酵素が絹の格子構造に固定されました。最後に、酵素は触媒として機能し、外部の燃料分子と反応して泡を生成し、ロケットを前進させます。
研究者らは、酵素を触媒として使い、シルクを3Dプリントしてマイクロロケットを作ることで、生分解性があり、より安価で、製造が簡単で、より安全な装置が実現し、研究室外で人間用マイクロロケットを出現させる上での大きな障害が取り除かれたと述べている。

出典: 3D Printing Network 詳しい情報:
ビデオ：多機能生物3DプリンターAether 1がマルチマテリアル骨の印刷を実演。Xitongは韓国企業と提携して生物3D印刷分野に参入

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