3D プリントされた臓器を移植できるようになるのはいつでしょうか。また、誰がそれを購入できるようになるのでしょうか。

南極熊紹介：関連データによると、今年6月10日現在、米国の臓器移植待機リストには106,075人の男性、女性、子供がいた。しかし、生体臓器提供者は年間平均約6,000個に過ぎず、死体臓器提供者は年間約8,000人おり、1人あたり平均3.5個の臓器を提供しており、移植の需要を満たすには明らかに不十分です。もし医師が適合するドナーを探すのではなく、患者の細胞から直接腎臓を印刷することができれば、問題は根本的に解決されるのでしょうか?

ハーバード大学ワイス生物学工学研究所のジェニファー・ルイス教授は、3D臓器バイオプリンティング技術の出現は希望をもたらすが、実現には少なくとも10年はかかるだろうと語った。 2019年の研究によると、臓器バイオプリンティングとは、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合わせ、模倣したバイオ人工臓器を製造することです。

こうした再生医療は開発段階にあり、この革新の原動力となっているのは「真に人間的なニーズ」です。「健康上の重大な問題を抱え、臓器の質が不十分で提供できない人や、そもそも臓器提供者リストに載っていない人もいるので、適合する臓器を見つけるのは非常に難しい」とルイス氏は言う。

2006年、ウェイクフォレスト再生医療研究所所長のアンソニー・アタラ博士とその同僚は、研究室で人間の膀胱を人工的に培養し、初めて複雑な臓器を人間に移植し、膀胱を移植した3人の子供の命を救った。

△ウェイクフォレスト再生医療研究所では、膀胱の足場に細胞を植え付けている。米国保健資源サービス局によると、臓器移植を待つ間に毎日17人が亡くなり、9分ごとに1人が待機リストに追加されている。 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。

「腎臓を必要とし、末期腎不全で透析を受けなければならない人は世界中に約 100 万人います」とルイス氏は言う。「透析を受けると、患者は実質的に 5 年しか生きられなくなり、1 年経過するごとに死亡率は 15 パーセントずつ増加します。透析は患者の身体に非常に負担がかかります。これが、私たちが臓器を印刷するというこの野心的な挑戦に取り組むきっかけとなったのです。」

3Dプリント臓器

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。彼らは臓器の小さな針生検、つまり切手の半分以下のサイズの小さな組織片を切除する低侵襲手術を実施します。この小さな組織片を採取することで、細胞を分離し、体外で成長させ、増殖させることができます。

この成長は、細胞が栄養素を保持するのに役立つ加圧されたステンレス鋼の容器である滅菌インキュベーターまたはバイオリアクター内で行われます。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「栄養を与える」のです。それぞれの細胞タイプは異なる培養培地で培養され、インキュベーターまたはバイオリアクターは人体の内部温度と酸素を模倣したオーブンのような装置です。

次に細胞は接着剤のようなゲルと混合されます。体内のすべての臓器には細胞とそれをまとめる接着剤があり、これは「細胞外マトリックス」とも呼ばれます。

これは、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、そして細胞の増殖と分化の継続を助けるメディエーターと成長因子の印刷可能な混合物です。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。

接着剤の非細胞サンプル部分は研究室で作ることができ、使用される生体材料は、免疫反応の悪化を避けるために、無毒、生分解性、生体適合性でなければなりません。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使用される最も一般的な 2 つの生体材料です。

オルガンの印刷プロセス

医師はバイオインクを（印刷したい細胞の種類に応じて）印刷室に装填し、プリントヘッドとノズルを使用してインクを押し出し、層ごとに材料を積み重ねていきます。患者のX線写真やスキャンから得た画像データを使用してプリンターをプログラムすることで、個別の特性を持つ組織を作成できます。

カラープリンターには、それぞれ異なる色を印刷する複数の異なるカートリッジがあり、それらを使用して (最終的な) 色を決定します。バイオプリンティングでも同じことが言えます。従来のインクの代わりに細胞を使用するだけです。

印刷プロセスにかかる時間は、印刷する臓器や組織、解像度の細かさ、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異なります。しかし、それは通常数時間続きます。生検から移植までの期間はおよそ4～6週間です。

△腎臓の足場にさまざまな種類の細胞を播種する3Dプリンター究極の課題は、「臓器が実際に本来の機能を果たすようにすること」です。ドナーから臓器を摘出するのと同じように、3Dプリントされた臓器は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。灌流臓器とは、血管やその他の経路を通じた循環によって、通常は血液または血液代替物などの液体が供給される臓器です。

臓器の複雑さに応じて、バイオリアクター内で組織をさらに成熟させたり、接続性をさらに高めたりすることが必要になる場合があります。印刷された臓器が体内で人間の臓器のように本当に機能するためには、解決しなければならないパイプラインの問題や課題が数多くあります。正直に言うと、この点は完全に解決されていません。

バイオプリントされた臓器が患者の体内に移植されると、時間の経過とともに自然に分解されますが、それはそのように設計されているため、問題はありません。

「接着剤が徐々に溶解するにつれて、細胞はもはやしっかりとした足場がないことを感知します。そこで細胞は独自の橋を作り、独自の接着剤を作り始めます。」

これを達成するには何年かかり、費用はいくらかかりますか?

ルイス氏とアタラ氏は、バイオプリントされた完全に機能する臓器が人間に移植できるようになるまでに残された年数について控えめな見積もりを提示している。

「この分野は非常に急速に進歩しているが、これまでに大きな進歩があったとしても、10年以上かかるだろうと思う」とルイス氏は語った。

「私は何年も前に、決して予測してはいけないことを学びました。なぜなら、常に間違えるからです」とアタラ氏は言う。「製造や（米国食品医薬品局の）規制には多くの要因があります。私たちの関心は、技術が患者にとって安全であることを確認することであり、それが最も重要なことです。」

バイオプリント臓器が利用可能な選択肢となった場合、患者とその介護者にとって費用が問題になることはないはずです。

「臓器不全に伴うコストは非常に高い」とアタラ氏は言う。「患者に透析を受けさせるだけでも、年間25万ドル以上の費用がかかる。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研究によると、2020年の腎臓移植の平均費用は44万2500ドル。一方、3Dプリンターの小売価格は数千ドル程度で、複雑さに応じて10万ドルまで上がることもある。しかし、低価格のプリンターであっても、バイオプリンティングには患者用の細胞バンクの維持、細胞の培養、生体材料の安全な取り扱いなど、費用のかかる部分が含まれる可能性があります。

現在、臓器移植にかかる主なコストは、「ドナーから臓器を入手する費用、輸送費、そしてもちろん、移植を受ける人が受ける手術、そしてすべてのケアとモニタリング」です。バイオプリンティングの場合でも、これらのコストの一部は避けられません。「

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