米メディア：3Dプリント臓器が現実に

出典: リファレンスニュース

2023年6月7日、アンタークティックベアは、米国のフォーチュン誌のウェブサイトが、3Dプリント臓器が間もなく現実になるかもしれないと報じたことを知りました。主な内容は以下のようにまとめられます。

昨年、テキサス州サンアントニオで、アルトゥーロ・ボニーリャ医師は、右耳なしで生まれた20歳の女性に慎重に外耳移植手術を行った。それは彼女の左耳の大きさと形に合わせて左右対称に作られました。

ボニーラ医師は、25 年以上にわたり小児小耳症外科医 (耳の先天性欠損を治療する医師) として活躍しており、この分野では専門家として認められています。ボニーラさんにとって、この手術は日常的なものだ。しかし、このケースは異例だった。移植された耳は、女性自身の軟骨細胞を使った3Dバイオプリンターで作られたのだ。このような状況はボニーリャのキャリアで初めてのことだ。

移植は「特筆すべきことではなかった」とボニーラ氏は語った。いずれにせよ、これはまったく控えめな表現です。

SFに近い領域から、初期のアイデア、実際の科学まで、3Dバイオプリンティングは医療研究のあらゆる側面に浸透しつつあります。そして今、人々はこの技術を実践し始めています。開発のペースは遅く、最も野心的な 3D プリントプロジェクトの中には、完成までにまだ数十年かかるものもあります。しかし、進歩は現実です。

「10年後には、移植可能なあらゆる種類の臓器が手に入るだろう」とイスラエルのテルアビブ大学で組織工学および再生医療の責任者を務めるタル・デビル教授は語った。「まずは皮膚や軟骨といった単純な臓器から始め、その後、最終的には心臓、肝臓、腎臓といったより複雑な組織へと移行するだろう」

3Dバイオプリンティングの未来<br /> 魔法のように聞こえますが、それはすでに起こっています。多層の皮膚、骨、筋肉構造、血管、網膜組織、およびいくつかの小型臓器が 3D プリントされています。印刷された製品が人間への使用に承認されたことはまだありませんが、科学的なタイムラインに沿った競争は刺激的です。

2022年の抄録とバイオニック膵臓を研究するミハウ・ヴショワ博士によると、ポーランドの研究者らは3Dバイオプリンティングを通じて膵臓の機能的なプロトタイプを作成し、2週間の観察期間中に豚の血流を安定させたという。ユナイテッド・セラピューティクス社は、動物モデルで酸素交換が可能な4,000キロメートルの毛細血管と2億個の肺胞を備えた人間の肺の足場を3Dプリントした。これは移植可能な人間の肺を作成するための重要なステップです。研究者たちは、5年以内に肺移植に関する適切なヒト臨床試験を実施できるようになることを期待している。

ウェイクフォレスト大学の再生医療研究所では、科学者たちがモバイル皮膚バイオプリンティングシステムを開発した。近い将来、彼らは、火傷などの治癒が難しい傷を負った患者のベッドサイドにプリンターを直接押し込み、傷の部分をスキャンして測定し、層ごとに皮膚を傷の表面に 3D プリントできるようになることを思い描いています。彼らにはやるべき仕事がまだある。彼らは3Dプリントを通じて骨格筋を生成した。実験により、げっ歯類の骨格筋を収縮させると、8週間以内に前脚の筋肉で以前に失われた筋肉機能の80％以上が回復することが示されました。

デヴィル氏の研究室は3Dプリント技術を使って、細胞、心室、主要血管、心拍を備えたウサギサイズの心臓を作成した。デビル氏は、実物大の人間の心臓を作るには同じ基本的な技術が必要だが、規模を拡大するのははるかに複雑になると指摘する。「現在、ペースメーカー細胞、心房細胞、心室細胞に取り組んでいます」とデビル氏は言う。「順調です。これが未来だと信じています。」

3Dバイオプリンティングの原理

人間の臓器を3Dプリントするというのは素晴らしいアイデアです。米国保健資源サービス局のデータによると、現在、臓器提供を待っているアメリカ人は10万6000人近くおり、待っている間に毎日17人が亡くなっている。患者自身の細胞を使用して臓器を作成する 3D プリントプロセスは、待機時間を短縮するだけでなく、臓器拒絶反応の可能性を大幅に減らし、有害な生涯にわたる免疫抑制薬の必要性をなくす可能性もあります。

「異なる細胞タイプを正確な位置に配置して複雑な組織を構築する能力と、細胞を生き続けるために必要な酸素と栄養素を運ぶ血管を統合する能力は、組織工学に革命を起こす 2 つの (3D) 技術です」と、スタンフォード大学バイオエンジニアリング学部の助教授マーク・スカイラー・スコットは述べています。「この分野は過去 20 年間で急速に進歩し、膀胱の印刷から、現在ではポンプに接続できる血管を備えた多細胞組織、さらには心臓細胞が統合された心臓部品などの複雑な 3D モデルの印刷までできるようになりました。」

3D バイオプリンティングでは、細胞がすべてです。このプロセスは、研究者がバイオプリントしたい細胞を生成することから始まり、次にその臓器に特有の細胞タイプになるように指示されます。その後、細胞は印刷可能なバイオインクに変換され、ゼラチンやアルギン酸塩などの材料と混合されて歯磨き粉のような粘稠度が得られます。スタンフォード大学の研究室では、幹細胞が非常に高密度に詰め込まれた場合に、どのようにして自然にこの粘液を形成するかを研究しており、これにより患者自身の細胞のみから形成された3Dプリント臓器が可能になる可能性がある。

バイオインクは注射器に詰められ、ノズルから押し出される。「ケーキの上のアイシングのように」とスカイラー・スコット氏は言う。これは実際の 3D バイオプリンティングプロセスであり、通常は異なるノズルにそれぞれロードされたさまざまな種類の細胞を作成します。デヴィル氏によると、ミニチュアハートを印刷するのに約4時間かかったという。印刷された組織が完成すると、組織に酸素と栄養素を送り込むポンプに接続されることもあります。時間が経つにつれて、組織は自然に発達し、成熟度と機能が高まります。

この一般的なプロセス（ここでは大幅に簡略化されているが）により、ボニーラがテキサスで行った移植手術で使用された外耳が作られる。これまでの小耳症手術のほとんどでは、ボニーラ医師は患者の肋骨から軟骨を採取して新しい外耳を形成していた。今回、ボニーラ氏は患者のもう一方の耳から小さな生検を採取し、生検から抽出した軟骨細胞を培養して数十億個の細胞を形成し、それを3Dプリントして新たな移植片を作製した。

「他の研究と同様に、3Dプリントによる臓器移植手術は、技術の向上を図るために、将来的にさまざまな患者に繰り返される可能性が高い」とボニーラ氏は述べた。「これがいつ治療の主流になるかはわからないが、その見通しは非常に楽しみだ」

3Dバイオプリンティングの利点

ウェイクフォレスト大学の科学者たちは何年もの間、研究室で臓器や組織を培養してきた。彼らは3Dプリント技術を使って、研究室でミニチュアの腎臓とミニチュアの肝臓を作成した。次の課題は、より大きく、より頑丈で、臓器の機能をより完全に模倣した構造を作ることです。「臓器レベルでこの目標を達成するのはまだ遠い」とハーバード大学の生物学に着想を得た工学の教授、ジェニファー・ルイス氏は言う。

「皮膚のような平らな構造、血管のような管状の構造、膀胱のような中空の非管状臓器を印刷することが可能になりました」と、ウェイクフォレスト大学再生医療研究所の創設所長アンソニー・アタラ氏は語る。「1センチメートルあたりに非常に多くの細胞があるため、血管新生と栄養供給の課題があるため、より大きな固形臓器は異なります」とアタラ氏は言う。

セル生成に関する問題は、部分的には品質の問題です。科学者たちは幹細胞から心臓細胞を作り出すことに成功しましたが、その細胞は人間の心臓細胞ほど活発に拍動しません。生成された肝臓細胞や腎臓細胞にも同様の問題が存在します。「ある意味、3Dバイオプリンティングの分野は基礎生物学の科学者による大きな進歩を待っている」とスカイラー・スコット氏は言う。

量の問題もあります。心臓を作るには「何十億もの細胞」が必要で、「異なる細胞、さらには異なる心筋細胞も必要だ」とデビル氏は言う。スカイラー・スコット氏によると、臓器1個分の十分な細胞を作るには、施設に10リットルの混合タンクを設置し、材料費として1日あたり5,000ドルを費やし、それを何ヶ月も稼働させる必要があるという。最終的な目標は、月に 1 個の臓器を作るのではなく、数千個の臓器を作ることです。

さらに、血管、神経、複数の種類の細胞の複雑なネットワークを含む体にどのように組織が統合され、支えられるのかという疑問もあると、3DバイオセラピューティクスのCEO兼共同創設者であるダン・コーエン氏は述べた。「できないわけではない」と、20年前にバイオプリンティングの研究を始めたコーエン氏は言う。当時、この分野には正式な名前さえなかった。「バイオプリンティングと再生医療にもっと広い意味で大きな期待を抱いている」

短期的に見ても進歩は明らかです。ルイス氏によると、ハーバード大学の研究者らはヒトの多能性幹細胞から心筋細胞を培養し、それを拍動する組織を追跡するセンサーを組み込んだバイオエンジニアリングチップに移植したという。チップ上に3Dプリントされた心臓は、さまざまな心臓病治療薬の潜在的な毒性副作用をテストするために使用でき、動物実験の必要性を減らす可能性がある。

「3Dプリンターにはいくつかの利点があります」とアタラ氏は言う。「第一に、組織や臓器を1つずつ手作業で作るのではなく、自動化されたプリンターに作業を任せることができるため、臓器製造の規模を拡大するのが容易になります。第二の利点は精度です。細胞を必要な場所に正確に配置できます。」

3D プリントにより製造規模を拡大できるため、全体的なコストを削減できるという利点もあります。アタラ氏が「再生性」と呼ぶもの、つまり同じ構造を何度も繰り返し作る方法もあります。臓器移植では、患者自身の細胞から作られた新しい臓器により拒絶反応の可能性を大幅に減らすことができます。

ほとんどの研究者は、移植用の本格的な3Dプリント人間の臓器が実現するのはまだ20年から30年先だと考えている。「究極的には、将来を見据えると、心臓の提供は必要なくなるでしょう。肝臓の提供も必要なくなるでしょう」とデビル氏は言う。「それが私の見解であり、私は楽観的です。20年以内に、あらゆる種類の3Dプリント臓器移植が現実のものになると思います」。これはサイエンスフィクションではなく、科学です。

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