AHMレビュー：宇宙での心臓組織の3Dバイオプリントに焦点を当てた未来がここに

組織工学は、再生医療や個別化医療のための新しい組織や臓器系を作り出すことを目的としています。最近、米国の商業開発および宇宙飛行機器運営会社であるTechshot Incと電子プリンターメーカーのnScryptは、国際宇宙ステーション（ISS）で生存可能な組織を作成するためのバイオインクとして成体細胞と成体組織由来のタンパク質を使用する生物学的3D製造施設を開発した。さらに、磁気浮上バイオプリンティング技術は国際宇宙ステーションでテストされ、検証されています。

現在の技術では移植用の臓器の製造はまだ不可能ですが、宇宙での複雑な組織の 3D バイオプリンティングは、人間や動物、特に心血管系では研究が難しい生物学的プロセスに対する宇宙環境の影響を研究するのに役立つ可能性があります。この目的のために、サウスカロライナ大学のケビン・タバリー氏、ロレンゾ・モロニ氏らは、地球上で使用されているバイオプリンティング技術と宇宙でのその応用可能性について説明した。著者らは、バイオプリンティングの特性と宇宙で直面する課題に焦点を当て、地球上および宇宙での心臓組織のバイオプリンティングの現在の進歩について論じています。

「宇宙での心臓組織のバイオプリンティング：私たちはどこにいるのか？」と題された関連レビュー論文が、2023 年 6 月 14 日に Advanced Healthcare Materials に掲載されました。

1. 地球上のバイオプリンティング技術と宇宙への応用可能性<br /> 高精度と柔軟性、および複数細胞の堆積を組み合わせる能力は、3D バイオプリンティングのさらなる重要な利点です。生物学的 3D プリンティングで使用される主な技術には、インクジェット、レーザーアシスト、押し出しなどがあり、磁気浮上などの技術や前述の技術の派生も登場しています。インクジェット、レーザーアシスト、押し出しをベースにした 3D 印刷技術はすでに広く知られています。軟組織バイオプリンティングの追求の中で、磁気浮上技術が誕生しました。

現在の磁気浮上法では、プラズマまたはガドリニウム (Gd3+) やマンガン (Mn2+) などのフリーラジカルを使用して、同じ磁極が向かい合う 2 つの磁石の間に配置された浮上媒体を常磁性化します。ビルディングブロックと呼ばれるハイドロゲルに封入された細胞を懸濁液媒体に加え、磁場にさらすと、これらのハイドロゲルは磁場の強度が最小の領域に自ら向きを変えます。したがって、構成要素のパラメータ（組成、剛性、弾性率、多孔度、または細胞の種類）を変えることで、スキャフォールドフリー、ラベルフリー、ノズルフリーの方法で、独自の空間的に不均一な材料特性を持つ複雑な構造を組み立てることができます（図 1）。

図 1 磁気浮上の原理上記の技術は、最近、心臓組織のバイオプリンティングの文脈で再検討されました。他の文献とは異なり、著者らは各技術の重要な側面を要約し、宇宙で微小重力を使用する場合の利点と欠点を指摘しています (表 1)。

表1 地球上で使用されているバイオプリンティング技術の比較
2. 地球上で心臓組織バイオプリンティングを行うためのバイオインクの特性

生体模倣機能心臓組織の作成は、適切な微小環境と細胞密度、およびバイオインクの構造的および機能的特性に大きく依存します。具体的には、バイオインクの粘弾性特性、細胞結合モチーフの組み込み、および細胞の整列、栄養素の輸送、電気機械的同期を促進するバイオインクの印刷後の変更はすべて、組織の形成、成熟、および機能化に大きく貢献します。現在までに、完全に成熟した心臓組織は生成されていません。したがって、理想的なバイオインクの探索はまだ進行中であり、次の要件に従う必要があります。

• 筋肉収縮時の繰り返しの機械的ストレスや非線形弾性に耐える高い弾性と機械的強度。

• 適切な生分解性があり、細胞接着を可能にするのに十分な長さ持続し、免疫反応を誘発することなく病変心筋におけるタンパク質分解活性を防止します。

•生体適合性: 細胞に対して無毒であり、細胞の生存をサポートします。

•血管新生と構造の再構築を促進します。

•制御された電気機械的特性は、活動電位の伝導性を妨げません。

•アウトサイドインシグナル伝達は、体外での心筋細胞の最適な付着、生存、成長、成熟、機能を促進し、体内への移植後に機能的な心臓収縮と宿主組織への統合をサポートします。

3. 地球上での心臓組織バイオプリンティングの進歩<br /> 次に、著者らは、従来のバイオプリンティング方法やバイオプリンティングとラボオンチップシステムを統合した方法など、現在の心臓組織バイオプリンティング技術の概要を説明します。その中で、バイオプリンティングをチップ臓器と統合する際に最も一般的に使用される印刷技術は、圧力アシスト、インクジェット、光アシスト、およびマイクロ流体バイオプリンティングです。一般的に、統合を実現するためには、(1) 構造体を個別に印刷し、印刷された流体エンクロージャに配置する、(2) 構造体をエンクロージャ内に直接印刷する、(3) チップ全体を完全にバイオプリントし、組織を 1 つのステップで構築する、という 3 つの主なアプローチを使用できます (図 2)。

図2 バイオプリント臓器チップの印刷方法の概要
4. 宇宙で利用されるバイオプリンティング技術<br /> 地上での操作と比較して、微小重力下でのバイオプリンティングにはさまざまな新たな障害がありますが、同時に機会ももたらし、現在の地上技術のカスタマイズされたエンジニアリングの適応が必要になります。微小重力は、重力が最小限であるため複雑な組織の形状を支えるための足場構造が不要になるため、複雑な臓器構造を印刷するための独自のソリューションを提供します。

これまで、宇宙では 2 つのバイオプリンティング技術が使用されてきました。 2018年、ロスコスモスは磁気浮上に基づくバイオプリンティング技術「Organ.Aut」を立ち上げ、一連の連続した段階を経て実験を行いました（図3）。 2019 年、国際宇宙ステーション国立研究所は、押し出し法に基づくバイオプリンティング技術であるバイオファブリケーション施設 (BFF) を立ち上げました (図 4)。

図3 宇宙でのOrgan.Autの印刷プロセスの概要図4 宇宙でのBFFの印刷プロセスの概要
5. 宇宙バイオプリンティングの課題

地球上では、3D バイオプリンティングの課題は、印刷解像度、スキャフォールドの選択、制御された血管新生の生成、制御された異種細胞タイプの構成とそれに関連する空間分布、およびバイオインクで使用される生体材料に焦点が当てられています。微小重力環境により構造サポート足場の必要性は減少しますが、宇宙ではこれらの課題は依然として存在します。

（１）まず、生物材料が国際宇宙ステーションに安全に到着することを保証するためには、梱包と輸送の物流が必要である。宇宙飛行士の安全を確保するためには、国際宇宙ステーションに液体が漏れるのを防ぐために、何層にもわたる密閉が必要です。つまり、バイオプリンターの流体交換が行われるコネクタやコンポーネントも漏れ防止対策が施されている必要があります。

（２）第二に、生物学的サンプルが生存可能な状態を保つためには、異なる保存温度が必要である。 Organ.Aut の場合、軟骨形成球は熱可逆性ハイドロゲルに封入され、印刷前に 4 °C で保管されました。 BFF の場合、心臓細胞は -95 °C で保存され、ハイドロゲルは個別に包装されて 2 °C で保存されました。

（３）第三に、印刷工程を地球上で制御する場合、国際宇宙ステーションと地上管制との間の通信中断による信号損失を考慮する必要がある。この点では、人工知能と機械学習を実装した自動化システムを開発する必要があります。

（4）最後に、宇宙の放射線レベルを考慮すると、電子部品は耐放射線性を備える必要がある。

宇宙における初期の心臓組織の研究は、ヒト幹細胞とそれらの心臓前駆細胞または心筋細胞への分化に焦点を当てていました (表 3)。心臓組織は BFF を使用してバイオプリントされていますが、これまでに他の研究は発表されていません。近年、宇宙における心臓組織工学の理解をさらに深める有望なプロジェクトがいくつか発表されています (表 2)。

表 2 ISS でヒト幹細胞由来の心臓細胞を使用して実施された実験のリスト要約すると、宇宙材料のバイオプリンティングは、急速に発展しているバイオプリンティング分野における新しい、有望な、将来の研究方向の 1 つです。宇宙でのバイオプリンティングの実践には多くの潜在的な利点があります。まず、微小重力のおかげで、より流体的なシステム、つまりより生体適合性の高いバイオインクを使用してバイオプリント構造を作成できるようになると考えられます。第二に、重力がないため、地球とは異なり、空洞、空洞、トンネルなどの複雑な形状は微小重力下で自立するため、微小重力環境はそれらの構築に適しています。第三に、予備実験では幹細胞は微小重力下でより良く機能することが示されているようです。心臓組織は最も複雑な臓器の一つであり、微小重力は画期的な進歩をもたらす可能性を秘めています。

ソース：

https://doi.org/10.1002/adhm.202203338

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