ハーバード大学の研究者らが、子どもの成長に合わせて3Dプリントした人工心臓弁を開発し、手術回数を減らす

はじめに: リウマチ熱は小児の心臓弁を損傷し、リウマチ性心疾患、脳卒中、心不全を引き起こす可能性があります。現在では、心臓弁を外科手術で修復することが可能ですが、患者が身体が成長中の子供である場合、それはより困難です。場合によっては、弁をより大きな弁に置き換えるために複数回の侵襲的手術が必要となり、人工心臓弁を作製するプロセスはコストがかかり、時間がかかります。上記の問題に対処するため、ハーバード大学の研究者たちは、3Dプリント技術を利用して、若い患者に合わせて成長し、追加の手術を不要にする人工心臓弁の開発に取り組んでいます。

2023 年 7 月、Antarctic Bear は、ハーバード大学の研究チームが FibraValve と呼ばれる画期的な小児用心臓弁の開発に取り組んでいることを知りました。この弁は、PLCL と呼ばれるポリカプロラクトン (PCL) とポリ乳酸 (PLA) 材料の組み合わせと、ナノスケールまで構造をカスタマイズできる新しい手法であるフォーカスロータリージェットスピニング (FRJS) を使用して、わずか 10 分で 3D プリントできます。

「残念ながら、現在の心臓弁置換術は子供の成長に合わせて成長しないため、小児患者の生涯にわたってリスクの高い手術を繰り返す必要がある」と研究者らは論文に記している。「FibraValvesは生分解性ポリマー繊維で製造されており、患者の細胞が移植された足場に付着して再構築し、最終的には子供と一緒に成長し、生涯にわたって使用できる生体弁を形成する」

研究責任者のパーカー氏とホルストルプ氏は、10年近くにわたり生きた成長する心臓弁の開発に取り組んでおり、2017年に初の合成心臓弁「ジェットバルブ」を開発した。これは、生体適合性の合成ポリマーをノズルに通して長いナノファイバーに紡ぎ、それを弁状のマンドレルに集めて生体適合性の弁を迅速に製造する、FRJS の初期バージョンを使用して製造されました。二人は羊の心臓にジェットバルブを移植することに成功し、ジェットバルブは正常に機能し、生きた細胞を集めて新しい組織を再生することができたが、まだ改良の余地がある。

新しい FibraValve では、研究チームはバルブ型のフレームを設計し、FRJS を使用しながらエアジェットを追加してフレームに液体ポリマーを充填しました。これにより、最終的な形状を簡単に調整できるようになり、マンドレルに繊維が堆積される速度が上がり、最終的には、細胞が浸透して成長できるメッシュ状のナノファイバーネットワークを備えた合成 3D プリント構造が得られます。

「細胞はナノスケールで機能しており、3D プリントではそのレベルに到達できませんが、集中スピンジェットスピニングにより、そこにナノスケールの空間構造を配置できます」と、ハーバード大学のバイオエンジニアリング教授でこの研究の主任著者であるパーカー氏は説明します。「この方法では、細胞がスキャフォールドに入ると、人工スキャフォールドではなく、心臓弁の中にいるように感じます。」

△FibraValve は、人間の心臓弁の物理的特性を再現したポリマー繊維フィラメントで構成されており、細胞が浸透して足場を生体組織に置き換えることができるほどの多孔質を備えています。

さらに、チームがカスタマイズした PLCL ポリマー素材は、FibraValve が体内に入った後の生体細胞の浸透性を向上させるだけでなく、生分解性もあります。 FibraValve は従来のものよりも柔軟性が高く、細胞をスキャフォールド全体に均等に分散させることもできます。研究チームはまた、弁を通って逆流する血液の量を減らすために、弁の内側の「弁尖」の形状を最適化した。これらすべての改良により、FibraValve は自ら形を変えることができるため、心臓がまだ成長中の心臓弁疾患の子供たちにとって非常に有用となります。

「この研究は、弁膜症の子供に対する解決策としての FibraValves の可能性を示しています」とパーカー氏は言う。「私たちの目標は、この装置を設計図として使用して、患者の本来の細胞が自身の生体弁組織を再生させることですが、FRJS は将来的に他の医療機器を製造するためのプラットフォームとして機能する可能性もあります。」

△ポリマーと集中空気ジェットが紡糸装置を通過し、ポリマー繊維がバルブ形状のマンドレルに集まり、FibraValveを形成します。

チューリッヒのホエルストルプ氏のチームは、3Dプリントされたフィブラバルブを生きた羊の心臓に移植し、すぐに機能し始め、心拍ごとに弁が開閉して血流を調節した。 1時間後、研究者らは、副作用や血栓、その他の問題の兆候もなく、弁の外側にフィブリンと呼ばれるタンパク質が沈着し、赤血球と白血球が多孔質の足場に浸潤しているのを観察した。チームは現在、長期の動物実験で FibraValve の性能と再生能力を評価することを楽しみにしています。「FibraValve を使用したこれらの最初の生体内結果は、臨床的観点から有望であり、さらなる前臨床評価を開始する動機となっています」と Hoerstrup 氏は述べています。

研究者たちは、3Dプリント心臓弁置換法が、最終的には血管、他の弁、心臓パッチなど、よりカスタマイズされた埋め込み型医療機器につながる可能性があると考えている。

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