3Dプリント臓器はいつ現実のものとなるのでしょうか?

2022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、生まれつき耳がない20歳の女性に外耳を移植した。女性の右耳は左耳の大きさと形に合わせて特注された。ボニーリャ医師は、先天性耳欠損症の治療に25年以上の経験を持つ小児奇形外科医であり、この分野では専門家として認められています。これまでの手術とは異なり、今回使用された耳のインプラントは、女性自身の軟骨細胞を使用して3Dバイオプリントされたものでした。

アイデアの芽生えから実際の科学まで、3D バイオプリンティングは研究だけでなく未来への一歩として、医療研究のあらゆる側面で進歩を遂げています。ペースはまだ遅く、最も野心的な 3D イニシアチブのいくつかはまだ数十年先ですが、進歩は現実です。

「10年以内に移植可能な臓器が実現すると思う。最初は皮膚や軟骨のような単純な臓器から始まり、その後、より複雑な組織、最終的には心臓、肝臓、腎臓へと移行するだろう」とイスラエルのテルアビブ大学の組織工学および再生医療ディレクター、タル・ドビル氏は語った。

3Dバイオプリンティングの未来<br /> 夢のような話に聞こえますが、それはすでに起こっています。皮膚、骨、筋肉構造、血管、網膜組織、さらには小型臓器の複数の層が 3D プリントされています。印刷された製品が人間に使用することがまだ承認されていないものの、研究結果は驚くべきものとなっています。前述のボニーラ氏の耳の手術は、生きた細胞を人体に移植する初の3Dバイオプリンティングであり、画期的な出来事だ。

ポーランドの研究者らは、膵臓の機能的なプロトタイプをバイオプリントし、2週間の観察期間中、豚の血流を安定させた。ユナイテッド・セラピューティクス・コーポレーションは、動物モデルで酸素交換が可能な4,000kmの毛細血管と2億個の肺胞（小さな気嚢）を備えた人間の肺の足場を3Dプリントし、許容可能な移植可能な人間の肺の作成に向けた重要な一歩を踏み出した。

ウェイクフォレスト大学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、火傷などの治癒しない傷を負った患者にこのプリンターを直接使用できるようになると予測しており、傷の部分をスキャンして測定し、層ごとに皮膚を傷に直接 3D プリントする。研究者らは3Dプリントされた骨格筋構造物も詳しく調べ、げっ歯類の体内で収縮させ、8週間以内に脚の前部の筋肉で以前に失われた筋肉機能の80％以上を回復できることを実証した。

ドヴィル氏の研究室ではすでに、細胞、心室、主要血管、心拍を備えた「ウサギサイズ」の心臓を3Dプリントで作成している。教授は、拡大プロセスははるかに複雑であるものの、無傷の人間の心臓にも同じ基本技術が必要であると指摘している。

3Dバイオプリンティングの仕組み

△多層の皮膚、骨、筋肉構造、血管、網膜組織、さらには小型臓器までもが3Dプリントされているが、人間への使用が承認されたものはない。

人間の臓器を3Dプリントするというのは驚くべきコンセプトです。連邦保健資源サービス局によると、現在、約10万6000人のアメリカ人が臓器提供の待機リストに登録されており、待機中に毎日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培養する 3D プリントプロセスは、待機リスト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、有害な免疫抑制薬を生涯にわたって服用する必要性をなくす可能性を秘めています。

「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、そして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、これら 2 つの (3D) 技術は組織工学に革命を起こしています」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、印刷された膀胱から、ポンプに接続できる血管を備えた高度に細胞化された組織、そして心臓細胞を統合した心臓のような構成要素の複雑な 3D モデルまで、進化してきました。」

3D バイオプリンティングでは、使用される材料は細胞です。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ます。次に、細胞をゼラチンやアルギン酸塩などの材料と混ぜて歯磨き粉のような粘稠度を持たせ、印刷可能な生きたインク、つまりバイオインクにします。スタンフォード研究所は、幹細胞が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ような一貫性が生まれるのかを研究している。この問題が解決されれば、3Dプリントされた臓器は患者自身の細胞だけで作られるようになる可能性がある。

実際の 3D バイオプリンティングプロセスでは、バイオインクが注射器に装填され、ノズルから押し出されますが、通常、異なる細胞タイプを配置し、各細胞タイプを異なるノズルに装填します。完成すると、組織は酸素と栄養素を送り込むポンプに接続され、時間の経過とともに組織は自ら発達し、成熟度と機能が高まります。「他の研究と同様に、この技術を改良するために将来の患者を対象にした反復実験が行われる可能性があり、これがいつ主要な治療法になるかはわかりませんが、将来は非常に楽しみです」とボニーラ氏は語った。

3Dプリントの利点

△3Dバイオプリンティングにより、科学者は組織をより正確に設計できるようになります。

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ました。彼らは研究室で3Dプリント技術を使って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、臓器の機能をより完全に模倣できる、より大きく、より堅牢な構造です。「臓器レベルでこれを達成するのはまだ遠い」とハーバード大学ワイス生物学模倣工学教授のジェニファー・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できるようになりました」と、ウェイクフォレスト研究所の創設所長アンソニー・アタラ氏は言う。「より大きな固形臓器は異なり、血管形成も異なり、必要な栄養素も異なります。」科学者は幹細胞から心臓細胞を作り出すことに成功しているが、人間の心臓細胞ほど強く鼓動することはない。肝細胞（代謝）と腎細胞（濾液の取り込み）についても同様です。ある意味、3D バイオプリンティングの分野は基礎生物学者による大きな進歩を待っていると言えます。

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20年から30年先になるかもしれないと考えている。「将来を見据えると、人類はドナーの心臓や肝臓を必要としなくなるだろう。それが私の見解だ」とドビル氏は言う。「私は臓器の3Dプリントについて楽観的だ。科学はそこに向かっている」

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