柔らかい橋: 3Dプリントされた脊髄インプラントが神経細胞を誘導し、接続と動きを回復させる

出典: 細胞と生命科学

はじめに：人類の歴史は病気との絶え間ない闘いの歴史であり、特にバイオテクノロジーの急速な進歩は将来の医療の方向と柱となることが期待されています。病気が突然襲ってきたとき、私たちは自分の免疫細胞に頼って「負担を担い」、ウイルスと戦うしかありません。

3D プリントされた脊髄インプラントは、脊髄の損傷した領域で新しい神経細胞が成長するように導く柔らかい橋として機能します。これまでのところ、重度の脊髄損傷を負ったラットの治療にこの治療法を使用した結果は有望である。いい方向ですね！

この 3D プリント脊髄インプラントは、カリフォルニア大学サンディエゴ校の研究者によって開発されたもので、将来的には脊髄損傷を負った人々の神経接続と運動機能の回復に役立つ可能性があります。
3D プリントされた脊髄インプラントは、脊髄の損傷した領域で新しい神経細胞が成長するように導く柔らかい橋として機能します。これまでのところ、重度の脊髄損傷を負ったラットを対象とした実験では、この方法の結果は満足のいくものでした。研究者らは1月14日、ネイチャー・メディシン誌に研究結果を発表した。

3Dプリントされた脊髄インプラントはハイドロゲル製で、患者自身の状態に応じてカスタマイズすることができ、さまざまなサイズと形状のインプラントに素早くプリントして、脊髄を正確に修復することができます。研究者らは脊髄インプラントに神経幹細胞を注入し、それをパズルのピースのように脊髄損傷部位に挿入した。新しい神経細胞が髪の毛のように成長し始め、軸索を通じて神経細胞間で信号を伝達するシナプスも再生し始め、新しい神経細胞が互いにつながり、患者の脊髄組織につながるようになります。

「私たちは、高速 3D 印刷技術を使用して、中枢神経系の構造を模倣した足場を作成します。これは橋のような役割を果たし、脊髄損傷の両端で再生された軸索を結びます。軸索自体はどの方向にも成長しませんが、足場は軸索の成長方向を導き、脊髄損傷での接続を完了することができます。」

高速かつ正確な3Dプリント技術
3Dプリントされた脊髄インプラントには、幅200μm（人間の髪の毛の約2倍の幅）の小さなチャネルが数十個あり、神経幹細胞と軸索が脊髄損傷の方向に沿って成長するように誘導し、損傷の長さを修復します。研究チームが開発した高速3Dプリント技術では、2mmのインプラントを1.6秒で印刷できる。従来のノズルプリンターでは、印刷に通常数時間かかります。

研究者たちは実際の人間の脊髄損傷のMRIスキャンを行い、わずか10分でインプラントの4cmモデルを印刷した。

「これは、患者の脊髄損傷の大きさや形に合ったインプラントを素早く印刷できるという、私たちの3Dプリント技術の柔軟性を示しています」と、ナノエンジニアリングの博士研究員で論文の共同筆頭著者であるウェイ・チュー氏は述べた。

神経細胞を修復する<br /> 研究者らは、神経幹細胞を含む長さ2mmの脊髄インプラントをラットの脊髄損傷部位に移植した。数か月後、新しい脊髄組織が脊髄損傷全体を修復し、ラットの損傷した脊髄をつなぎ合わせました。治療を受けたラットの後肢機能は著しく改善されました。

「これは、人間の脊髄損傷を修復するための臨床試験の実施に向けた、もう一つの重要なステップです」とコフラー氏は述べた。「3D プリントされた足場は、神経幹細胞移植の生存率を向上させる安定した物理的構造を提供します。3D プリントされた足場は、移植された神経幹細胞を脊髄損傷によって引き起こされる毒性と炎症から保護し、軸索を損傷部位に完全に誘導して修復するのに役立つようです。」

さらに、治療を受けたラットの循環器系はインプラントに浸潤し、機能的な血管ネットワークを形成し、神経幹細胞の生存を助けました。

「血管新生は、体内のインプラントが長期間生存する上での主な障害の 1 つです」と Zhu 氏は言います。「3D プリントされた組織には、十分な栄養を摂取し、老廃物を排出するための血管系が必要です。私たちのグループは、以前にも 3D プリントされた血管ネットワークに関する研究を行ってきましたが、今回の研究には適用しませんでした。私たちの 3D スキャフォールドは生体適合性に優れているため、生物学の力で自然にこの問題を解決できます。そのため、血管再生について心配する必要はありません。」

幹細胞と 3D プリント技術の融合<br /> 責任著者の一人であるトゥシンスキー氏と彼のチームは、10年以上にわたり、重度の脊髄損傷患者の機能回復という最終目標に向けて着実に進歩を遂げてきました。これまで発表された幹細胞療法に基づく研究（最初はラット、後にサルを対象に実施）により、この概念は徐々に確立され、脊髄損傷の治療における 3D プリントの可能性が実証されました。

その過程で、彼らはニューロンの成長の仕方に関する誤った理論的知識も覆した。

今年初め、彼のチームは新しいタイプの脊髄神経幹細胞を発見した。これらは脊髄全体に分散し、体内で長期間生存するため、将来活用できる宝庫となり、臨床的に細胞源に変換して将来の治療を保証することができます。

チェン氏のチームは、複雑な生物組織とその機能をシミュレートする微細なミクロ構造を生成する次世代の 3D バイオプリンティング技術を開発しています。研究者らはこれまでにも、リアルな肝臓組織や複雑な血管網を作成してきた。

彼らが現在取り組んでいるプロジェクトの一つは、心臓発作やその他の心臓病を治療するために心臓病患者のために心臓組織を印刷することです。この新しい脊髄インプラントは、3D バイオプリント組織の長い歴史の中で最新のものである。

△MRIモデリングで印刷された脊髄インプラント△ラットの脊髄の構造をシミュレートした3Dプリントされた足場のクローズアップ

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