3Dプリント臓器の実現まであとどれくらいでしょうか?

3D プリントされた耳組織毎年、何万人もの患者が適切な臓器移植を待っています。必要に応じて人間の臓器を「プリント」できれば、患者は長い待ち時間を避けることができると想像してみてください。 3Dプリント技術の登場から30年、それは人々の生活にますます溶け込んできました。今日では、プラスチックを「インク」として使って部品を印刷できるだけでなく、金属、セラミック、さらには人間の細胞までも「カートリッジ」に注入して操作できるようになりました。最近、ネイチャー・バイオテクノロジー誌はバイオプリンターを紹介し、3Dプリントで印刷された耳の組織がマウスに移植された後も通常の組織と同様に生存し、成長できることを証明した。 3Dプリント技術が人間の臓器を置き換える可能性があることが示されたのは、歴史上初めてのことだ。

文/広州日報記者

郭元宇

画像提供：ゲッティイメージズ

細胞を「インク」として使うバイオプリンター

「3Dプリンティング」は、登場当初ほど注目を集めることはなくなりましたが、この新興分野からは良いニュースが寄せられることが多いです。 2014 年には軟骨組織が「印刷」され、2015 年には医学研究用に腎臓組織が「印刷」されることに成功しました。しかし、規模、構造、細胞の生存時間などの制限により、これらの印刷製品のほとんどは研究室の中にしか存在せず、実際に使用可能な臓器として移植することはできません。

しかし、数日前、米国のウェイクフォレスト大学の研究チームが、3Dプリントした「耳」をマウスに移植したという論文をネイチャー・バイオテクノロジー誌に発表した。2カ月後、移植された耳は形を維持し、適切な軟骨組織も生成した。つまり、プリンターから生まれたこれらの組織は、体内で正常に生存し、成長することができるのです。さらに、この技術が人体に適用できれば、医師は患者自身の細胞を直接使用して、代わりの人体組織や臓器を印刷できるようになり、再生医療の分野における大きな進歩となるだろう。

この「バイオプリンター」の動作原理は、通常の3Dプリンターと同じで、設計した形状をモデル図に従って層ごとに「積み重ねる」というものです。ただし、細胞はプラスチックほど安定していないため、無制限に積み重ねると簡単に分散してしまいます。したがって、バイオプリンティングプロセス中、構造全体がポリカプロラクトン化合物の一時的な層で覆われ、これが足場として機能して、移植中の構造の安定性を確保します。一度埋め込まれると、材料は毒性を引き起こすことなく徐々に分解されます。同時に、細胞はインプラントの形状を維持する支持マトリックスを分泌します。最終的に、細胞は自ら再編成され、支持物質を必要としなくなります。

研究チームは、印刷効果をテストするために、3Dプリントした「耳」をマウスの皮膚の下に移植した。2か月後、移植された耳は形を維持しただけでなく、適切な軟骨組織も生成した。印刷され移植された筋肉組織の他の部分は、わずか2週間でマウスの神経新生を誘発しました。これは本当に素晴らしい結果です。耳を失った患者にとって、自分の細胞を使って本物の耳を印刷できれば、人工の耳よりもはるかに快適になるだけでなく、拒絶反応も起こりません。

専門家は次のように説明しています。

3D臓器の印刷

エラーのリスクは依然として存在する

北京理工大学レーザー工学部の陳吉民教授は、現在の医療業界では3Dプリント技術の「表面」しか応用されていないと述べた。「術前ガイダンスに加え、骨折治療では個人に合わせた鋼板のカスタマイズも一般的です。しかし、拒絶反応は避けられず、鋼板の形状をより適合させ、固定しやすくすることしかできません。人体の組織や臓器への3Dプリント技術の応用はまだ基礎研究段階にあります。」

陳吉民氏は、3Dプリント臓器の細胞が支持と固定のためにポリカプロラクトン化合物で包まれていたとしても、3Dプリント臓器が人体に配置された後、長期間しっかりと接着できるという保証はまだないと指摘した。さらに、実際の人間の臓器は非常に複雑であり、印刷された細胞が融合できたとしても、それが機能できることを意味するわけではありません。

さらに、陳教授は、研究者が3D臓器を印刷する前に参照として使用できる非常に詳細な臓器モデルを構築できるほど強力なソフトウェアが現在存在せず、それに伴うエラーやリスクも考慮する必要があると指摘した。

人体のシステムは非常に複雑で、3D臓器には限界がある

人間の臓器の印刷が直面しているもう 1 つの問題は、これらの組織の内部に「空洞」をどのように設計するかということです。ポリカプロラクトンを使用すると、細胞を整然と積み重ねることは確かに可能ですが、内部の空洞がなければ、これらの細胞は長くは生きられません。

通常の組織では、血管が臓器内で絡み合って栄養分を輸送していますが、印刷された組織の多くは血管が欠如しており、移植後長期間生存することが難しく、当然ながら移植患者と「一体化」するまで生存できません。したがって、3D プリントされた組織に血管が通過できるスペースを残すことが非常に重要です。

米国のウェイクフォレスト大学の研究チームは、ハイドロゲルを使ってこの問題を解決しました。ハイドロゲル構造は固体の状態で足場として機能します。細胞が安定した構造を形成すると、分解され、代謝され、細胞が存在していた元の場所は、血管が伸びて発達するための「空洞」になります。このアイデアを使用することで、もともと栄養素の供給の問題によって制限されていた印刷組織のサイズの問題が克服されました。

それでも、中国3Dプリント技術産業連盟の副会長である周功耀氏は、臓器のプリントについては慎重な姿勢を崩していない。同氏は記者団に対し、既知の科学の範囲内で一部の臓器を3Dプリントすることには問題はないが、バイオテクノロジーの分野には、人類が習得も研究もしていない情報がまだたくさんあると語った。人工臓器は体外で正常に機能しても、体内に移植された後に機能するかどうか、毒素を生成するかどうか、どのような副作用があるかは現時点では不明です。

「人体システムは非常に複雑です。最後の手段として、限られた技術で作られた臓器を、無限に複雑な人体システムに接続することはできません。生命は最も重要なものであり、これは3Dバイオプリンティングの開発における最大の難しさでもあります。現在、3Dプリントされた耳、膀胱、心臓は研究室にしか存在しません。人体に移植する前に、多くの実験を行う必要があり、多くのデータを蓄積して分析し、継続的な改善を行う必要があります。まだやるべきことがたくさんあります。」周公耀氏は、「しかし、3Dバイオプリンティングのいくつかの先見性のある研究と個々の例の出現は良いことであり、最終的には技術と製品の成熟につながるでしょう。」と語った。

3Dプリントの父vs医療専門家

3Dオルガンは高級消費財ですか？

これまで、臓器の3Dプリントでは「半ば成功」した事例が数多くありました。これらが「半成功」と呼ばれる理由は、それらのほとんどが適切に機能しないか、数日しか存続できないためです。

例えば、米国のバイオテクノロジー企業オルガノボはかつて機能する小型の人間の肝臓を印刷したが、その寿命はわずか40日間だった。ルイビル大学の研究者らも昨年4月に心臓弁と小静脈を印刷した。将来的には患者の細胞を使って正常に鼓動する心臓を印刷したいと考えている。

3Dバイオプリンティングの展望について、中国工程院の院士であり、中国で「3Dプリンティングの父」として知られる陸炳衡氏は、5年から10年以内に中国が3D技術を使用して内臓を含む生きた人間の臓器を印刷できるようになると確信している。

陸炳衡氏は、医療分野では現在、3Dプリントで骨をカスタマイズすることが可能であり、医師が手術前に繰り返し練習するのに便利であると紹介した。さらに、一部の医師は標的がん治療に3Dプリントを使用しています。がん病変をプリントして繰り返しシミュレーションし、最後に穿刺技術を使用して病変に正確に薬剤を送達します。将来的には、デスクトップスキャナーを使用して人間の組織を検査した後、患者の傷口に直接印刷できるようになるかもしれません。

3Dバイオプリンティングのコストについて、北京人民解放軍総合病院整形外科研究所の彭江副所長は、臓器の3Dプリント技術が20～30年で本当に成熟すれば、間違いなくハイエンドの消費になるだろうと語った。「研究開発や細胞培養など一連のコストは非常に高いため、もちろん大規模生産が実現すればコストは下がるだろうが、初期投資を無視することはできない」と彭江氏は述べた。

3Dプリントプロセス:

「設計図」は不可欠

人間の臓器やプラスチックの彫刻を 3D プリントする原理は非常に似ています。どちらもインクカートリッジとノズルを備えており、そこから「インク」を噴射して層ごとに印刷します。しかし、両者の間には明らかな違いがあります。

私たちはほとんどの臓器がどのような形をしているかを知っていますが、個人に合わせた臓器を印刷するには、患者の CT スキャンと、組織の各層における細胞の位置を詳細に示す「設計図」が必要です。

バイオプリンターで使用される材料は、PVCプラスチックや金属ではなく、人間の細胞と接着剤です。バイオプリンターでは、実際の細胞を使用するだけでなく、幹細胞、生物工学的に作られた材料、人体が拒絶しないその他の代替物質も使用できます。例えば、2012年には83歳のベルギー人女性が3Dプリントした「チタン製の顎」の移植に成功し、2013年には米国の男性が3Dプリントした「プラスチック製の頭蓋骨」の移植に成功した。

サンプルが印刷されたら、実際の臓器と同じように細胞が「融合」して互いに調和して生きられるように、サンプルをインキュベーター内に置く必要があります。これは、今日の 3D 人間臓器印刷が直面している真の課題でもあります。

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