「ネイチャーマテリアルズ」：科学者が繊維複合ゲルインクをカスタマイズしてバイオニック心臓モデルを3Dプリント

はじめに: 過去 10 年間で、生物組織工学の分野では多くの注目すべき成果が達成されました。今日、科学者たちは、心臓病と闘う方法、個々の患者の独自のニーズに合わせた治療の調整方法についての研究を進めるために、3D プリントされた心臓組織に注目しており、将来的には、外挿インプラントを通じて患者の心臓の損傷部分を修復または交換できるようになることを構想しています。
2023年8月1日、アンタークティックベアは、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）が主導する画期的な研究で、研究者らが人間の鼓動を模倣した生物学的構造を3Dプリントする新しい方法を開発したことを知りました。ハイドロゲルと既成のゼラチン繊維を組み合わせた繊維注入ゲル（FIG）インクのおかげで、追加のサポート材料を必要とせずに心室の3Dモデルを正確に印刷することができました。

研究の詳細は、Suji Choi、Keel Yong Leeらが共著者となり、「繊維注入ゲル足場が3Dプリント心室の心筋細胞の配列を誘導する」と題する論文としてNature Materialsに掲載された。。
関連論文リンク: https://www.nature.com/articles/s41563-023-01611-3

論文では、3Dプリントの過程で繊維が実際の心臓組織に似たパターンに配置され、それが心臓細胞（心筋細胞）に有益であると指摘している。その結果、印刷された心臓モデルは、電気伝導や収縮の仕方など、実際の心臓と同様の特性を示しました。将来的には、この技術をさらに応用して、より複雑で有用な心臓モデルを作成できるようになるかもしれません。
この研究の意義は、実際の心臓の複雑な構造と機能を再現することに近づく心臓組織を 3D プリントする新しい方法を導入した点にあります。研究チームは、ハイドロゲルにゼラチン繊維を加えることで、より詳細で正確な心臓のモデルを作成することができました。これは、医学研究、薬物検査、そして将来の治療にも応用できる可能性があります。研究チームは、この方法にはまだ改善の余地があり、複数の細胞タイプの導入や血管のより良いモデリングなど、さらなる研究でその機能強化を図る予定だと述べている。
SEAS の研究者で論文の筆頭著者であるスジ・チョイ氏は、薬物試験のために臓器構造を再現する取り組みで直面する課題について次のように指摘している。「臨床現場で何が起こるかを予測する方法として、薬物の安全性と有効性を試験するために臓器の構造と機能を再現しようと試みてきました。しかし、これまで 3D プリントだけでは、心筋を収縮させるために協調的に電気信号を伝達する役割を担う心筋細胞の生理学的に適切な配置を実現できませんでした。」
さらに、この研究の鍵となるのは、繊維と印刷可能なインクを融合させることで、外部のサポートを必要とせずに複雑な 3D 形状を作成できることです。
「FIG インクは印刷ノズルを通り抜けることができますが、構造が印刷されると、その 3D 形状が維持されます」と Choi 氏は説明します。「これらの特性により、追加のサポート材料や足場を使用せずに、心室などの構造やその他の複雑な 3D 形状を印刷できることが分かりました。」
FIGインクの起源は、さまざまなアイデアの交差点にあります。博士研究員のルーク・マックィーン氏は、新しい回転ジェット紡糸技術を使用して作られた繊維をインクと混ぜることを提案した。この方法は従来の電界紡糸技術よりもはるかに優れており、電界で分解される可能性のあるタンパク質を保持することができます。
△インク組成の模式図を図に示す。画像提供：Nature Materials 進行中の実験で、チェイ氏は、これらの 3D プリント構造に電気刺激を加えると、実際の心室のリズムを模倣した協調的な収縮波が生成されることを発見しました。研究チームは、この技術の可能性にすぐに気づいたと主張している。心室は以前のモデルよりも5～20倍多くの液体を送り出すことができたのだ。
「私たちは、生物組織の 3D 印刷の欠点のいくつかを解決するためにこのプロジェクトを開始しました」と、SEAS の生物工学および応用物理学のタワーファミリー教授であり、疾患生物物理学グループの責任者で、論文の主任著者でもあるケビン「キット」パーカーは述べています。「ルークがこのコンセプトを思いついたとき、彼のビジョンは、印刷の精度をナノメートルスケールに下げることで、3D プリンターで印刷できる空間スケールの範囲を拡大することでした。電界紡糸ではなくスピンジェット紡糸で繊維を製造する利点は、電界紡糸の電界によって分解されるタンパク質材料を使用できることです。」
チームはプロトタイプの限界を認識しているものの、大きな可能性を見出しています。実際、よりリアルな心臓組織を設計する取り組みはすでに進行中であり、このアプローチを使用して心臓弁や2つの部屋を持つミニ心臓など、より複雑な心臓構造を構築することに楽観的な見方が出ている。さらにパーカー氏は、チームが再生療法のためのヒト組織の開発に重点を置いていることを強調した。
近年、バイオエンジニアリング分野では、他にも注目すべき取り組みが数多く行われています。例えば、テルアビブ大学の研究者たちは、患者の細胞を使って血管や心室を含む複雑な構造を持つ心臓パッチを3Dプリントし、2019年に大きな話題を呼びました。同様に、ミネソタ大学では 2017 年にカスタム 3D プリンターを使用して本物そっくりの人工心臓モデルを作成し、複雑な解剖学的詳細を再現できるようになったことを実証しました。しかし、ハーバード大学の研究者らが説明した新しいアプローチは独特である。このプロジェクトは、国立科学財団 (NSF) や国立衛生研究所 (NIH) など、数多くの権威ある機関から強力な支援を受けています。ハーバード SEAS は、バイオエンジニアリングの未来は明るいと考えています。

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