生物学的3Dプリント皮膚の研究の進歩と多様な臨床応用の道筋

出典：中国老年医学会火傷外傷部

近年、皮膚代替研究におけるバイオ3Dプリント技術の急速な発展が広く注目を集めています。従来の組織工学による皮膚と比較して、バイオ 3D 印刷技術は、皮膚の構造と機能をより迅速かつ包括的にシミュレートできるため、さまざまな実験テストと臨床使用をサポートし、皮膚代替品の迅速な反復を促進します。生物学的 3D プリント皮膚の応用経路、シナリオ、方向性は多岐にわたります。従来の体外培養と創傷移植の臨床経路に加えて、in situ 印刷光重合は、緊急治療や創傷治療のための迅速なベッドサイド構築にも使用できます。さらに、既存の臨床治療と組み合わせることで、3D バイオプリント皮膚は患者により正確でカスタマイズされたソリューションを提供できます。今後の研究では、バイオインクの改良、印刷技術の最適化、臨床応用の促進に重点を置き、創傷治療におけるバイオ3Dプリント皮膚技術の広範な応用を実現します。

完璧な皮膚再生を達成することは、現代医学が常に追求してきた目標です。しかし、従来の自家皮膚移植の適用範囲は、ドナー源の制限、ドナー部位の欠陥、免疫拒絶反応、感染などの要因により、ある程度制限されています[1]。さらに、既存の創傷被覆材は表面的な創傷の治癒を促進するのにしか適しておらず、大きく深い創傷を治療することはできません。そのため、1980 年代以降、組織工学に基づく皮膚代替物の構築が広く注目を集め、急速に発展しました。しかし、技術的な制限により、現在の組織工学皮膚は構造と機能が比較的単純であり、実際の臨床ニーズを満たすことは困難です[2]。

21 世紀に入り、生物学的 3D プリント技術の台頭により、皮膚代替品の研究に新たな機会がもたらされました。バイオ3Dプリンティング技術は、コンピューターの3次元モデルをテンプレートとして使用し、特殊な「バイオインク」を組み立てて、最終的に人工臓器やバイオメディカル製品を製造する新しい技術手段です。この技術は2007年に概念が出現して以来、急速な発展を遂げ、現在では最も人気があり、最も有望な組織工学技術となり、再生医療の研究と変革を新たなレベルに推進しています[3]。

従来の組織工学技術と比較して、バイオ3Dプリンティング技術は、特殊な形状や複雑な構造を持つ皮膚代替物を、要求に応じて、より高い精度で構築する能力を持っています[4]。近年、皮膚のバイオ3Dプリントに関わるバイオインクベースの生体材料の開発や構造機能の統合が急速に進み、多様な皮膚構造と機能の構築が徐々に実現されつつあります。同時に、さまざまなバイオ 3D プリント皮膚構築戦略に基づいて、さまざまな創傷治療のニーズを満たすために、バイオ 3D プリント皮膚代替品のさまざまな臨床使用シナリオとパスが導き出されました。これは、バイオ 3D プリントされた皮膚代替品がさまざまな種類の傷に適応し、患者により個別化された正確な治療計画を提供できることを意味します。この記事の目的は、3D バイオプリント皮膚の最新の研究の進歩を簡単にレビューし、臨床応用における複数の潜在的な道筋を探り、将来の研究と臨床応用の明確な位置付けと開発の方向性を示すことです。

1. 生物学的 3D プリント皮膚の研究の進歩<br /> 皮膚は単純な層状の生理学的構造を持っているため、生物学的3Dプリンティング研究において自然な利点を持っています[5]。 10年以上の研究開発を経て、国内外の複数の研究チームが3Dバイオプリント皮膚に関する研究の進捗状況を発表しました。バイオ3Dプリント皮膚は、多くの点で従来の組織工学皮膚を上回っています。その構造的および機能的シミュレーションはより高速かつ包括的であり、その応用経路、シナリオ、方向性は多様です[6]。

印刷構造の面では、バイオ3Dプリント皮膚は、従来の組織工学皮膚の層構造（表皮、真皮、皮下組織層）を含むだけでなく、特殊な機能を持つ細胞（メラノサイト、ランゲルハンス細胞など）と構造モジュールを皮膚に正確に埋め込むことができ、皮膚の完全な構造再構築を実現します。 Ngら[7]は、表皮細胞、メラノサイト、線維芽細胞を含む生体模倣3Dプリント皮膚モデルを報告した。この皮膚の色素沈着は、通常の組織工学皮膚よりも正常な人間の皮膚の色素沈着レベルをよりよくシミュレートすることができる（図1Aに示す）。 Atalaら[8]は、6種類の皮膚関連細胞と3層構造を含む生物学的3Dプリント皮膚を報告した。成熟に達するまで56日間体外で培養した後、ヌードマウスの背中の傷に移植し、傷の急速な治癒を達成した（図1B）。

図1. バイオプリント3D皮膚の構造設計 (A) メラノサイト、表皮細胞、真皮線維芽細胞を含むバイオプリント二重層皮膚 [7]、(B) 6つの皮膚関連細胞を含むバイオプリント3層構造皮膚の設計と、52日間のin vitro培養後のその形態 [8]。
機能再建の観点から、生物学的3Dプリント皮膚は、特殊な機能細胞や付属器をプリント組織に搭載することで特定の機能を実現できるだけでなく、移植後の血管や神経の成長の必要に応じて、血管や神経の種子細胞や活動誘発因子を特定の部分に追加することで、プリント皮膚の生存率を効果的に高めることができます。 Abaciら[9]は、毛包生体模倣構造を含むバイオ3Dプリント皮膚を報告し、これをヌードマウスの背中の傷口に移植すると毛が生えた。 Huangら[10]は、バイオ3Dプリント皮膚における間葉系幹細胞の汗腺分化誘導を報告し、そのプリント皮膚を用いてマウスの足裏の火傷の治療を行い、この部位の汗腺機能の再構築を促進した。

さらに、皮膚付属器および皮膚疾患の in vitro 研究モデルの構築においても大きな進歩がありました。 Yao B. et al. [12] も、ヒト瘢痕細胞と瘢痕細胞外マトリックスをバイオインクに混合し、印刷した組織を体外で培養した後、ヌードマウスの背中に移植して、安定した特性を持つヒト瘢痕オルガノイドを形成し、瘢痕形成メカニズムの研究や薬物スクリーニングに使用できる（図2Aを参照）。Zhang Y. et al. [11] は、ハンギングドロップ培養法を使用して毛包細胞球を構築し、誘導された汗腺組織を含む事前に準備された成熟した生物学的3Dプリント皮膚に細胞球を移植して、汗腺と毛包の両方を含む生物学的3Dプリント皮膚を構築し、皮膚と汗腺の相互作用メカニズムの基礎研究に使用できる（図2Bを参照）。

図 2. バイオ 3D プリントされた皮膚の瘢痕と皮膚付属器のモデル (A) 瘢痕治療薬のスクリーニングのためのバイオ 3D プリントされた人間の皮膚の瘢痕モデル。 (B) 汗腺と毛包の相互作用の研究のための、汗腺と毛包を含むバイオ 3D プリントされた皮膚モデル。
2. 生物学的3Dプリント皮膚の臨床応用経路<br /> 技術の継続的な進歩と臨床実践の蓄積により、臨床応用における生物学的 3D プリント皮膚の可能性が徐々に明らかになってきました。従来の組織工学による皮膚と比較して、バイオ 3D プリント皮膚にはより多くのオプションの臨床応用パスがあります。

まず、ほとんどの3Dバイオプリント皮膚は、従来の組織工学皮膚と同じ臨床経路を使用できます。つまり、3Dバイオプリント皮膚は体外で成熟状態まで培養され、その後患者の創傷表面に移植されます[8,13]。このアプローチにより、印刷された皮膚に十分な構造的完全性が確保されると同時に、細胞および組織の誘導培養と機能的成熟のための時間がより多く確保されます。この従来の適用経路は、いくつかの複雑な創傷再建手術で使用されてきました。しかし、in vitro 誘導培養にはより高い実験条件が必要であり、培養時間も一般的に長く、印刷された構造の劣化や汚染のリスクがあるため、プロセスの複雑さがこの臨床経路の広範な適用に影響を与える可能性があります。

近年、フォトポリマー材料の急速な普及に伴い、臨床的にすぐに使用できる生物学的3Dプリント技術も皮膚再生の分野で急速に応用され始めている[14]。 Albannaらは、3次元スキャン、創傷表面での原位置印刷と光重合の全プロセスをシミュレートして、実験動物モデルで二重層皮膚を構築し、良好な創傷治療効果を達成した[15]（図3A）。この臨床経路では、最先端の3Dスキャナー、光重合性バイオマテリアル（GelMAやHAMAなどの改質ポリマー、LAPなどの光開始剤）、ハンドヘルド生物学的3Dプリンター[16]（図3Bに示すように）を使用します。これは、実験室環境から分離されており、従来の経路での体外培養中の変形や汚染のリスクを回避し、ベッドサイドでの迅速な皮膚3Dプリントと即時使用の効果を実現します。

図 3. バイオ 3D プリント皮膚のベッドサイド印刷と使用経路 (A) 創傷の緊急治療と治療のための二重層皮膚を構築するために創傷表面を 3 次元スキャンしてその場で印刷する方法。 (B) 表皮細胞と真皮線維芽細胞を含む皮膚モデルを構築するためのハンドヘルドバイオ 3D 印刷。
さらに、バイオ 3D プリンティングを既存の治療技術と組み合わせることで、より正確でカスタマイズされたソリューションを患者に提供できます。自己多血小板血漿（PRP）には創傷治癒に必要な複数の成長因子が含まれているため、創傷治療によく使用されています。従来の方法は、塩化カルシウムやトロンビンと混ぜて創傷上でゲルを形成し、血小板を活性化させて成長因子を放出させるというものです。しかし、この適用方法では大量の血小板が必要であり、血小板は保護されていないため、創傷から放出された後、その生物学的活性は急速に減衰します。創傷への血小板の応用におけるこれらの問題に対応するために、Song WeiらはPRPとバイオ3Dプリンティング技術を組み合わせ、マウスの創傷モデルの治療に使用し、創傷の血管新生を大幅に促進し、創傷治癒を加速させた[17]。 Zhao Mらは、創傷3Dスキャンや印刷経路設計などの工学技術とPRPを含むバイオ3D印刷を組み合わせ、創傷治療に応用した[18]。バイオ 3D プリントのアクティブインクは、PRP と組み合わせるだけでなく、ほとんどの水溶性成長因子 (組み換えヒト上皮成長因子、サイトカイン模倣ペプチドなど) または細胞成分 (エクソソーム、細胞小胞など) と組み合わせて、有効成分の放出を保護および持続させ、生物学的効果を高めることができます。同時に、生物学的3Dプリントインク材料自体は優れた生体適合性と保湿性を備えており、創傷の炎症や瘢痕の収縮を軽減し、創傷治療や組織再生の促進に重要な役割を果たします。

図 4. バイオ 3D プリンティングと既存の創傷治療技術を組み合わせた臨床経路 (A) 創傷治療のための血小板濃縮血漿 (PRP) と組み合わせたバイオ 3D プリンティング。 (B) 創傷治療のための PRP、3 次元スキャン、経路設計などのエンジニアリング技術と組み合わせたバイオ 3D プリンティング。
つまり、臨床応用経路の選択に関しては、体外培養後の移植であれ、原位置印刷の即時適用であれ、あるいは既存の技術と組み合わせることであれ、具体的な状況に応じて生物学的3Dプリント皮膚に最も適した臨床経路を選択し、より良い治療効果と患者の回復を達成することができる。

3. 3Dバイオプリント皮膚の将来展望
2023年7月に開催された第1回西湖未来フォーラムでは、「バイオインク」が化学抄録サービス（CAS）と西湖大学によって共同で「最も注目に値するバイオヘルス材料トップ10」の1つに選ばれ、将来のバイオメディカル分野で大きな可能性を秘めていることが示されました。近年、バイオインクの性能に関する研究は、生物学的3Dプリントの分野で徐々に人気のある分野になりつつあり、その研究の進歩と成果は、生物学的3Dプリント臓器産業の発展に大きな影響を与えるでしょう。しかし、バイオインクの機械的特性、細胞適合性、機能的組織再生を促進する能力はまだ理想的なレベルに達しておらず、生物学的3Dプリント臓器の研究の進歩を大きく制限しています[19]。したがって、構造的および機能的な最適化に基づいて、さまざまな臨床経路向けの特定の皮膚印刷関連のバイオインクを開発することは、生物学的 3D プリント皮膚の将来の研究にとって極めて重要です。

また、現在、生物学的 3D プリント皮膚製品については比較的成熟した評価基準がないため、その安全性と有効性の評価は依然として組織工学皮膚の評価方法に従って行われています。しかし、バイオ3Dプリント皮膚は構造的・機能的多様性と臨床経路の多様性により、従来の組織工学皮膚とは全く異なる特性を持っています。新たな臨床経路に基づいた安全性と有効性の評価をどのように探求するかが次の重要な課題です。例えば、in situ光重合印刷された3Dバイオプリント皮膚を適用する場合、3Dバイオプリント活性インクに基づいて安全性評価を実施することをお勧めします。このような評価方法は、3Dバイオプリント活性インクの研究開発と迅速な変換にさらに役立ち、それによって3Dバイオプリント技術の迅速な臨床応用を促進する可能性があります。

要約すると、生物学的 3D プリンティングの分野における重要な材料として、バイオインクは、機械的特性、細胞適合性、機能的組織再生の促進の点で、まだ多くの開発の余地があります。さまざまな臨床経路向けに特定の皮膚印刷関連のバイオインクを開発することは非常に重要であり、生物学的 3D 印刷皮膚に関する将来の研究にとって重要な意味を持ちます。さらに、バイオ 3D プリント皮膚の安全性と有効性の評価も、臨床応用のニーズを満たすために、その特殊な特性に応じて調整する必要があります。バイオインクとバイオ 3D プリント皮膚に関する徹底的な研究により、この分野はさらなるブレークスルーとイノベーションをもたらし、バイオ 3D プリント技術をより幅広い臨床応用へと推進していくと信じています。

【参考文献】

[1] Park W、Gao G、Cho DW。3Dバイオプリンティング技術を用いた筋骨格組織の再生とモデリングのための組織特異的脱細胞化細胞外マトリックスバイオインク。Int J Mol Sci。2021年7月22日;22(15):7837。

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[18] Zhao M、Wang J、Zhang J、et al. 多成分バイオインクを血小板豊富血漿で機能化して、創傷治癒のためのカスタマイズされたin-situ二重層バイオプリンティングを実現する。Mater Today Bio。2022年6月24日;16:100334。

[19] Kang MS、Jang J、Jo HJ、et al. 3Dバイオプリンティングスキンの進歩と革新。バイオ分子。2022年12月27日;13(1):55。

著者について

黄沙教授は、人民解放軍総合病院医療イノベーション研究部外傷修復・組織再生研究センター副所長、損傷臓器再建・再生重点実験室の主任であり、「卓清」人材、科学技術のリーダー的人材、基礎知識強化の重大プロジェクトの主任科学者である。中国バイオマテリアル学会臨床試験研究部門副会長、中国研究病院学会バイオマテリアル臨床応用部門副会長、中国老年医学会火傷・外傷部門常任委員。彼は中国で最初の生物学的3Dプリンティングに関する学術論文「バイオ3Dプリンティングと再生医療」を編集・出版し、政府の出版賞を受賞した。中国バイオマテリアル学会科学技術進歩賞（一等賞）、王正国外傷医学賞、生体活性材料イノベーション賞、科学技術イノベーションパイオニア賞などの栄誉称号を獲得し、バイオインクの成果の転換を完成させた。彼は、国立自然科学財団や国家重点研究開発プログラムを含む 16 のプロジェクトを統括しました。

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