人間の臓器を3Dプリントする時代が10年以内に到来するかもしれない

出典: リファレンスニュース

6月10日、CNNのウェブサイトに「臓器を3Dプリントできるのはいつになるのか？」という記事が掲載された。誰がそれを買う余裕があるでしょうか?クリステン・ロジャースが報告した。全文を抜粋すると次のようになります。

もし医師が、適合するドナー臓器を探したり、患者の体から拒絶反応が出ることを心配したりすることなく、患者の細胞から腎臓を印刷できたらどうなるでしょうか?ハーバード大学ワイス生物学インスパイアードエンジニアリング研究所のジェニファー・ルイス教授は、生物学的3Dプリント技術の助けを借りれば、この願いは早くても10年以内に実現できるだろうと語った。研究によると、臓器バイオプリンティングでは、3Dプリント技術を使用して、複数の細胞タイプ、成長因子、生体材料を層ごとに組み立て、自然の臓器を完全に模倣した人工臓器を作成します。

△画像提供：ETH チューリッヒの 3D プリント心臓ルイス氏は、この再生医療は研究開発段階にあり、その原動力は「実際の人間のニーズ」であると語った。

必死の待ち時間 米国保健資源サービス庁によると、6月10日現在、米国の全国臓器移植待機リストには成人と子ども合わせて10万6000人が載っている。しかし、生体臓器提供による臓器提供数は年間平均約6,000個に過ぎません。一方、死者からの臓器提供は年間約8,000人で、死者1人あたり平均3.5個の臓器を提供しています。

米国のウェイクフォレスト大学再生医療研究所のアンソニー・アタラ博士は、生体ドナーは選択肢の一つではあるものの、「手術を必要としない人に手術を施す」ことは非常に危険であると述べた。「血縁関係による臓器提供は、後で臓器を必要とするかもしれない人から臓器を摘出することになるので、通常は好ましい選択肢ではない」と彼は語った。

保健資源サービス局によると、移植を待つ間に毎日17人が亡くなっているという。 2021年には、移植リストに載っている人の90%以上が腎臓を必要としています。「世界には腎臓を必要としている人が約 100 万人います。末期腎不全に陥ると透析を受けなければなりません」とルイス氏は言います。「透析は身体に大きな負担をかけ、1 年経過するごとに死亡の可能性が大幅に高まります。そのため、臓器の 3D プリントという大きな課題を解決するための大きな取り組みが進められています。」
「私たちはこの問題を解決するためにテクノロジーを活用しています」とユナイテッド・セラピューティクスのCEO兼会長、マルティナ・ロスブラット氏は語った。

マジックインク<br /> 臓器のバイオプリンティングのプロセスを始めるにあたり、医師は通常、患者自身の細胞から始めます。アタラ氏によると、彼らは臓器の小さな針生検、つまり低侵襲手術を行って、小さな組織片を採取する。その大きさは「切手の半分以下」だという。「採取した少量の組織を使って細胞を取り出し、体外で増殖させ続けることができる」と同氏は語った。

ルイス氏によると、培養は滅菌インキュベーターまたはバイオリアクター、つまり細胞が十分な栄養を得るのを助ける加圧されたステンレススチール製の容器で行われる。細胞には独自の代謝があるため、医師は24時間ごとに細胞に栄養（培地）を与えます。細胞の種類によって必要な栄養素は異なります。

△ 画像提供：ETH チューリッヒ 3D プリント心臓アタラ氏は次のように語った。「次に、それを接着剤のようなゲルと混ぜます。体内のすべての臓器は細胞と、それをつなぎとめる接着剤で構成されています。」

ルイス氏によると、グルーとは、アタラ氏によるバイオインクの愛称である。バイオインクは、生きた細胞、ハイドロゲルと呼ばれる水分を多く含む分子、培養培地、そして細胞の増殖と分化を促進する成長因子を成分とする印刷可能な混合物である。ハイドロゲルは、タンパク質、コラーゲン、ヒアルロン酸などの物質を含む体内の細胞外マトリックスを模倣しています。

アタラ氏は、細胞以外の接着剤の成分はすべて研究室で作ることができ、「置き換えようとしている組織と同じ特性を持つ」と語る。

ルイス氏は、有害な免疫反応を引き起こさないように、通常使用される生体材料は無毒、生分解性、生体適合性でなければならないと述べた。コラーゲンとゼラチンは、組織や臓器のバイオプリンティングに最も一般的に使用される 2 つの生体材料です。

奇跡の瞬間を目撃しよう<br /> 次に、医師らは各バイオインク（インクの種類は印刷したい細胞の種類の数によって異なる）を印刷カートリッジに装填し、「プリントヘッドとノズルを使用してバイオインクを押し出し、層ごとに材料を積み重ねていきます。」アタラ氏は、患者のX線写真やスキャン画像データをプリンターに取り込むことで、個人の特徴を持つ組織を印刷できると述べた。「カラープリンターには異なる色のカートリッジがいくつか付いていて、最終的には希望の色を混ぜ合わせます。」バイオプリンティングも同じで、従来のインクの代わりに細胞を使用するだけです。
ルイス氏は、印刷プロセスにかかる時間は、印刷する臓器や組織の種類、解像度、必要なプリントヘッドの数など、いくつかの要因によって決まると述べた。しかし、それは通常数時間続きます。アタラ氏によると、生検から移植までの全過程には約4～6週間かかるという。

ルイス氏は、究極の課題は「臓器を本来の機能を発揮させること」であり、それは「聖杯」を手に入れることに等しいと語った。

「ドナーから臓器を摘出するときと同じように、すぐにバイオリアクターに入れて灌流を開始する必要があります。そうしないと細胞が死んでしまいます」と彼女は語った。灌流とは、臓器に体液（通常は血液または血液代替物）を供給し、血管やその他の経路を通じて循環させることである。

ルイス氏は、臓器の複雑さに応じて、組織をバイオリアクター内でさらに成熟させたり、対応する部分の接続を促進したりすることが必要になる場合があると述べた。「このプリントされた臓器を体内の自然な臓器のように機能させるには、解決すべき『配管』上の問題や課題がいくつかあります」と彼女は言う。「これらの問題はまだ完全に解決されていません。」

バイオプリントされた臓器は、患者の体内に埋め込まれると、時間の経過とともに自然に分解されますが、それは問題ありません。これは私たちの予想通りです。

「それで、組織はどうなるのでしょうか？バラバラになるのでしょうか？いいえ」とアタラ氏は言う。「接着剤が溶けて、細胞は橋が崩れつつあることを感知します。細胞は土台がもはや安定していないことを感知します。そこで細胞は体内に独自の橋、独自の接着剤を作り出すのです。」

△BIOLIFE4Dの3Dバイオプリンティングプラットフォーム

手頃な価格<br /> アタラ氏とルイス氏は、バイオプリントされた機能的な臓器を人間に移植するのに何年かかるかについては控えめな見積もりをしている。「我々は大きな進歩を遂げてきたが、それでも10年後にはそうなるだろうと思う」とルイス氏は語った。

「製造と規制に関しては、非常に多くの要因が関係してきます」とアタラ氏は言う。「まず第一に、もちろん、これらの技術が患者にとって安全であることを確認することです。」バイオプリント臓器が現実のものとなったとき、患者とその家族がそれを買えるかどうかは問題にならないはずだ。

アタラ氏は、そのコストは「確かに手頃だ」と語った。「臓器不全に伴うコストは非常に高く、患者を透析に通わせるだけで年間25万ドルかかる。だから、患者に移植できる臓器を作るほうがずっと安いのだ。」

アメリカ腎臓学会が発表したデータによると、2020年の腎臓移植の平均費用は44万2500ドルで、3Dプリンターの小売価格は複雑さに応じて数千ドルから10万ドルの範囲となっている。しかしルイス氏は、低価格のプリンターが利用可能であるにもかかわらず、患者用の細胞バンクの維持、細胞の培養、生物学的材料の安全な取り扱いなど、バイオプリンティングには費用がかかると述べた。

ルイス氏は、現在、臓器移植の主な費用には「ドナーからの臓器の入手、輸送費、移植手術、そしてすべてのケアとモニタリングが含まれる。これらの費用の一部は、臓器が3Dプリントされたとしても依然として発生するだろう」と述べた。

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