研究者らは神経変性疾患の治療に使用できる高解像度の「脳モデル」を3Dプリントした。

2024年3月23日、アンタークティックベアは、ウィーン医科大学（MedUni Vienna）とウィーン工科大学の研究者が共同で、脳繊維の構造をシミュレートし、特殊な磁気共鳴画像法（dMRI）を使用して画像化できる世界初の3Dプリント「脳モデル」を開発したことを知りました。科学者チームは、これらの脳モデルがアルツハイマー病、パーキンソン病、多発性硬化症などの神経変性疾患の研究を前進させるために使用できることを実証した。

この研究は、「脳のプリントに向けて：MRI用微細構造グラウンドトゥルースファントム」と題された論文として、Advanced Materials Technology誌に掲載された。

関連論文リンク: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202300176
磁気共鳴画像法（MRI）は、電離放射線を使用せずに脳の構造と機能を調べるために使用できます。 MRI の特殊な変種である拡散強調 MRI (dMRI) では、脳内の神経線維の方向も判定できます。しかし、神経線維束の交差点では、異なる方向の神経線維が重なり合うため、神経線維の方向を正確に判断することが困難です。プロセスをさらに改善し、分析評価方法をテストするために、国際チームは高解像度の2光子重合（2PP）3D印刷プロセスを使用して製造された、いわゆる「脳モデル」を開発しました。
△2PP3D印刷原理
キューブ内のマイクロチャネル<br /> ウィーン医科大学のMRI専門家とウィーン工科大学の3Dプリント専門家は、チューリッヒ大学およびハンブルク・エッペンドルフ大学医療センターの同僚と緊密に協力しました。ウィーン工科大学は、2017年に早くも大規模な印刷を可能にする2光子重合（2PP）プリンターを開発しました。この過程で、ユースケースとしての脳モデルに関する研究もウィーン医科大学およびチューリッヒ大学と共同で実施されました。得られた特許は、現在ウィーン工科大学の研究移転支援チームによって開発され、監督されている脳モデルの基礎となります。
見た目的には、このモデルは実際の脳とあまり似ていません。それははるかに小さく、立方体の形をしています。内部には、脳神経 1 本分ほどの大きさの水で満たされた微小なマイクロチャネルがあります。これらのチャネルの直径は人間の髪の毛の 5 分の 1 の細さです。脳内の神経細胞の繊細なネットワークを模倣するために、ウィーン医科大学医学物理・生体医学工学センターの主執筆者マイケル・ウォレッツ氏とウィーン工科大学3Dプリンティング・バイオファブリケーション研究グループのフランツィスカ・チャルパ・ガントナー氏が率いる研究チームは、2光子重合プリンティングを使用しました。
△世界的に注目を集めた最初の 2PP 実験の 1 つ。画像提供: ウィーン大学
2PP 高解像度印刷方法は、立方ミリメートル範囲の 3 次元構造を印刷するのではなく、主にナノメートルおよびマイクロメートル範囲の微細構造を印刷するために使用されます。 dMRI の寸法に適合するモデルを作成するために、ウィーン工科大学の研究者は 3D 印刷プロセスのスケールアップと、高解像度の詳細を備えたより大きなオブジェクトを印刷できるようにすることに取り組んできました。大規模な 3D プリントにより、研究者は dMRI で観察したときにさまざまな神経構造を分布させることができる非常に優れたモデルを入手できます。
「携帯電話のカメラによる写真撮影でこれまで見られた最大の進歩は、必ずしも新しくて優れたレンズによるものではなく、画像を撮影するソフトウェアの改善によるものです」とマイケル・ウォレッツ氏は言う。「dMRI でも状況は同じです。新しく開発された脳モデルにより、分析ソフトウェアをより正確に調整できるため、測定データの品質が向上し、脳の神経構造をより正確に再構築できます。」
脳モデルに基づいてトレーニングされた解析ソフトウェア<br /> したがって、脳内の特徴的な神経構造をリアルに再現することは、dMRI 解析ソフトウェアを「トレーニング」する上で非常に重要です。 3D プリントを使用すると、変更やカスタマイズが可能な多様で複雑なデザインを作成できるようになり、脳モデルは交差した神経経路など、特に複雑な信号を生成し、そのため分析が難しい脳の領域を描写します。
解析ソフトウェアを校正するためには、dMRI を使用して脳モデルを検査し、測定データを実際の脳と同じように解析する必要があります。 3Dプリントでは、モデルの設計を正確に把握し、解析結果を確認することが可能です。開発されたモデルは dMRI の改善に使用できます。
現在チームが直面している最大の課題は、アプローチの規模を拡大することです。「2 光子重合の高解像度により、マイクロメートルやナノメートルの範囲で詳細を印刷することが可能になり、脳神経画像化に最適です」と Chalupa-Gantner 氏は言います。「しかし同時に、この技術を使用して数立方センチメートルの立方体を印刷するには、相応に長い時間がかかります。したがって、私たちの目標は、より複雑なデザインを開発するだけでなく、印刷プロセス自体をさらに最適化することです。」

研究者らは神経変性疾患の治療に使用できる高解像度の「脳モデル」を3Dプリントした。

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