ダイ・ケロン学術委員：医療における3Dプリントの応用が劣っているか優れているかの違いはない

3D プリントは医療用途において多くの利点があります。医療には、パーソナライズ、精密、大衆化など多くの P があります。3D プリントはこれらすべてを満たし、多くの時間とコストを節約できます。

3Dプリントは医学の発展を促進することができます。手術前の計画を立て、手術をより正確に行うことができます。これにより、体内に埋め込まれたいわゆるインプラントを適切な場所に配置し、骨、筋肉、またはその他の部分に密着させることができます。同時に、3Dプリントモデルは医師と患者のコミュニケーションに役立ちます。もちろん、非常に優れた教育ツールでもあります。心臓、骨、筋肉、さまざまな内臓を3Dプリントして、手術の練習やデモンストレーションに使用できます。3Dプリントは実際にはさまざまな面で広く使用されています。

3Dプリント医療製品は、大まかに4つのカテゴリ、つまり4つのレベルに分けられます。この4つのレベルの間に階層はありません。第1レベルは悪くありませんが、第4レベルは高度であるとは言えません。1つ目は、モデルと金型の作成、2つ目は、人工関節などの内蔵物の作成、3つ目は、筋肉の印刷などの人体組織の印刷、4つ目は、内臓の印刷です。

なぜこの4つのレベルに分かれているのでしょうか?

まず、第一段階は、体内に埋め込む必要がなく、生体適合性に対する要求も高くなく、もちろんアレルギーを引き起こすこともない、in vitro モデルと補助装置です。この側面は、1995 年以来広く使用されています。 2番目のレベルはインプラントを作ることです。最も重要な点は、生体適合性があることです。生体適合性が良くないものはインプラントとして使用できません。インプラントは長期間体内に留まる必要があります。たとえば、関節をプリントする場合、20年または30年は壊れないことが望まれます。この場合、劣化の問題はありません。 3 番目のレベルは分解です。スキャフォールドを印刷して人体の骨軟骨に変えた後、活動組織に道を譲るためにゆっくりと分解する必要があります。したがって、3 番目のレベルには生体適合性と分解性の両方が必要です。最後に、印刷されるのは足場だけではなく、細胞や、細胞分化を制御するタンパク質因子、つまり成長因子も印刷されるということです。ネギパンケーキを作るときと同じように、小麦粉、ネギ、ゴマの層を順に広げると、ネギパンケーキの完成です。 3D プリントは、材料、細胞、成長因子を層ごとに広げ、肝臓、心臓、血管などを作ることができます。

3Dプリントは手作り品メーカーを不幸にする

最初のレベルは体外で使用されます。例えば、手の軽い捻挫や骨折であれば、大がかりな治療は必要なく、装具だけで治ります。現在、大・中・小の3サイズ、もしくは4サイズか5サイズのみの展開です。しかし、何十万人もの人々のニーズを、たった 3 つのモデルでどうやって満たすことができるのでしょうか?現在は3Dプリンターでこの患者専用に製造されており、中が空洞になっているため、発汗や湿気による皮膚炎は発生せず、超音波を照射して骨折の治癒を促進することもできる。例えば、義肢を持っていない患者が、世界で最も軽く、最も材料を消費せず、最も美しく、最もコスト効率が良いと言われる義肢を設計したとします。彼は自分の設計に非常に誇りを持っていますが、それはどのように製造されるのでしょうか。 3Dプリントを使用します。将来的には、3D プリントを使用して、メガネのフレーム、コンタクトレンズ、義眼など、さまざまなものを作ることができるようになります。歯科で使用される修復物、取り外し可能な修復物、インプラントプレートなどはすべて 3D プリントできます。手術中に医師をガイドするための手術用テンプレートとしても使用できます。

誰もがとても幸せです。今、不幸なのはたった 1 つのグループだけです。手作業で製造業に従事する人たちは不幸です。彼らは失業するでしょう。機械の世話をするために残る数人を除いて、他の人たちには何もすることがありません。これは破壊的な革命です。

医師は3Dプリンターなしでは生きていけない

骨盤に大きな腫瘍がある患者がいます。医師はコンピューターでさまざまな設計図を作成し、切除のシミュレーションを行うことができますが、腫瘍を手で持つことはできません。そこで、3D プリントモデルを使用し、このモデルに基づいて金属プロテーゼを印刷することができます。この金属インプラントは内部が固体で、外側に穴が開いています。これらの穴により、血管と繊維が内部で成長できるようになります。手術中に、切開の形をインプラントに合わせるにはどうすればよいですか?このとき、ガイドが必要になりますが、これは 3D プリントを使用して作成できます。その後、腫瘍を切除し、インプラントを設置します。患者は手術後2週間で歩けるようになった。 3 か月後、彼は 100% スクワットができるようになり、良好な機能回復を達成しました。手術の全過程を振り返ると、私たちは3Dプリントを使ってモデルとガイドを作り、次に3Dプリントを使って義肢を作り、それを彼の体に埋め込みました。つまり、この患者の治療プロセス全体を通じて 3D プリント技術が使用されたことになります。

このような患者を何人か経験した後、私たちは 3D プリンターなしではやっていけないと感じています。3D プリントは便利で速いです。

3Dプリントされた生きたバイオリアクターとしてのマウス

組織工学には、足場、細胞、成長因子という 3 つの要素があります。 3D プリントが解決する最初の問題は、ブラケットの作成の問題です。例えば、骨の関節の表面は軟骨で、その下には軟骨下骨と呼ばれる硬い骨があります。軟骨と硬い骨の接合部はしっかりと密着しています。これを 3D プリントで再現するにはどうすればよいでしょうか。成長するかどうかは細胞自体に依存します。軟骨と骨の組織構造と機械的特性は全く異なります。今では、2 つの異なる材料を使用できます。1 つは軟骨を成長させるための材料、もう 1 つは硬い骨を成長させるための材料です。細胞をその上に置き、コンピューターの助けを借りてゆっくりと形を整えます。すると、軟骨と骨が一緒に座屈し、絡み合って成長できるようになります。成長には約 12 週間かかり、その 12 週間の間、栄養液を絶えず交換する必要があります。細胞が汚染されてはいけません。汚染されると、すべてが失敗してしまいます。また、手術中は温度があまり変化してはいけません。2～3度以上変化すると細胞がすべて死んでしまいます。非常に困難です。どうすればよいでしょうか。私は知恵を絞って、それを体外で2、3週間培養し、それをマウスに移植し、12週間後に取り出すことに決め、成功しました。マウスは関節を培養するのに役立つ生きた反応器です。この関節内の軟骨は本物の軟骨とまったく同じです。ここでは、残留 3D プリント材料も確認できますが、そのほとんどは劣化する可能性があります。

活性化すると変形できる万能細胞

バイオプリンティングの概念は 2000 年に提案されました。2003 年には活性細胞の印刷が開始されました。2004 年には、細胞印刷に関する最初の特許が申請されました。2007 年には、幹細胞が印刷に使用できるようになりました。幹細胞は軟骨、皮膚、角膜になります。 2007年までに遺伝子を注入することも可能になった。今では、筋肉、血管、心筋組織を印刷することができ、心筋組織は依然として鼓動することができます。

細胞は非常に脆弱であり、その生存、発達、さまざまな突然変異の可能性はすべて未知であり、困難な課題です。印刷時には複数のノズルがあります。5種類のセルと5つのノズルが間違っていることはあり得ません。高精度のマルチノズル印刷は、コンピュータ支援設計に従って厳密に実行されます。そのため、印刷する際には、まずデザインし、細胞を含んだ生物学的インクを生物学的紙に印刷し、最後にバイオリアクター内でゆっくりと増殖・成長させ、最終的に組織を成長させるという、印刷のプロセスが必要になります。

生物モデルには細胞ミクロスフェアが含まれており、1 つのミクロスフェアには多数の細胞が存在します。これらのマイクロスフィアは、ペアで配置することも、5 つのグループにまとめることも、分散させることもできます。これは非常に興味深いプロセスです。2 つのセルは接触してから 77 分後には互いに接続され、333 分後には非常に鈍いダンベル形状になりました。最終的に、多くの細胞が積み重なって血管や神経になることがあります。

誰かが肝臓組織片を作り出すことに成功した。これは薬物の試験に非常に役立つ可能性がある。現在、多くの医薬品は多数の動物実験を経て臨床観察を受ける必要があります。 1万人の肝臓を観察し、1万人にインフォームドコンセントを書いてもらい、補助金を出すとなると、費用は数億になります。肝臓組織の一部を培養すれば、人間の代わりとなることができるが、その価格は臨床で実践するよりもはるかに安くなるだろう。同様に、脳組織なども印刷できるため、薬物研究ごとに数億ドルの実験資金を節約できます。

最も重要なことは、毎年、肝臓移植、腎臓移植、角膜移植を待っている人が大勢いますが、実際に肝臓や腎臓を得られるのはそのうちのわずか1％です。患者の99％は待機中です。需要はますます高くなる一方で、供給は少なく、その差はますます大きくなっています。 3D プリントは私たちに希望の光を与えてくれますが、問題を解決できるのでしょうか?現在、腎臓のようなものが取り出されていますが、まだ使用することはできません。

3D プリントが初めて登場したとき、最初の難関はプリンターでした。プリンターの設計が難しく、非常に高価でした。しかし、遺伝子配列解析と同様に、初期の頃は 1 人の検査に 10 年以上かかっていましたが、現在では 1 人の検査に 2 時間しかかかりません。当初は 1 人の検査に 13 億ドルの費用がかかっていましたが、現在では 1 人の検査に 2,000 ドルしかかからず、2 年後には 200 ドルしかかからないと予測されています。将来的には、1 人のゲノム全体を検査するのに 20 ドルしかかからないようになると予測されています。つまり、ある日 3D プリンティングが画期的な進歩を遂げることになるのです。これからはさまざまな種類の細胞を印刷する必要があるかもしれませんが、休眠状態にあり、活性化されると肝細胞や腎細胞になることができるタイプの細胞が発見されました。この方法では、3D プリンターには 5 つのノズルは必要なく、1 つのノズルと成長因子だけが必要になります。
現在の錠剤と同様に、患者は毎日さまざまな薬を服用する必要があるかもしれません。 3Dプリントで製造すれば、1層目は何の薬に溶ける、2層目は何の薬に溶ける、3層目は何の薬に溶ける。必要な薬を1錠にすべて入れることができる。これは非常に良い応用です。

結局のところ、3D プリンティングは再生医療の発展にとって広範囲にわたる意義を持っています。今後数年から数十年で再生医療の現状を完全に変える可能性があります。

記者がダイ・ケロン氏にインタビュー:

3D プリンティングは医療分野で 4 つのレベルで応用できるとおっしゃっていましたが、現在はどの分野に注力していますか?

3D プリント技術の出現は、医療機器や医療インプラントの発展に非常に明るい展望をもたらしました。3D プリント技術は、これまで他の医療機器や材料では達成できなかった、多くの患者の痛みを軽減し、命を救うという優れた医療効果を発揮することができます。私たちが現在取り組んでいるのは、先ほど述べた2番目の部分、つまり関節や骨など患者に合わせた精密な人工器官を作り、それを患者に移植して損傷した部分を補うというものです。これは前世紀に初めて臨床診療で実現されましたが、3Dプリントで直接製造された金属人工器官が登場したのはここ2年ほどのことです。

近年の 3D プリントとの関わりで、最も顕著に感じたことは何ですか?

近年、この問題に関心を持つ人が増え、投資や実践、研究に意欲を持つ人が増えていることをはっきりと感じます。政府も3Dプリンティングに注目し始めており、それは主に2つの側面に反映されています。1つ目は、支援を提供するために資金を投資することです。2つ目は、食品医薬品局が病院や企業で調査を開始し、3Dプリンティングを正しい方向に導く方法と、ガバナンスと品質保証に基づいて3Dプリンティングを人々に役立つものにする方法を研究し始めたことです。

3Dプリントを医療にもっと応用するには、各分野の人々が協力する必要があります。将来、3Dプリントには知的財産権、模倣や盗難、規制違反、違法行為などの問題が必ず発生します。これらは、注意を払う必要がある一連のいわゆる法律や規制であり、これらの問題もそれに応じて解決する必要があります。

来年、医療用 3D プリンティングにはどのようなトレンドが生まれるのでしょうか?

2016 年には、医療用 3D プリントに関するいくつかの基本規則が、国または地域の食品医薬品監督機関によって発行される可能性があります。病院や 3D プリント企業が従うべき一般的な規制がいくつか発行されることは間違いありません。また、より多くの国産3Dプリンターや材料が市場で販売され、徐々に輸入品に取って代わられ、我が国の医療用3Dプリンティングがより健全に発展することを期待しています。
出典: 3Dプリンティングワールド

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