3D押し出しバイオプリンティング技術は将来臓器移植を可能にするのでしょうか?

はじめに: 付加製造は過去 30 年間で大きな進歩を遂げ、現在では医療分野で広く使用されています。現在、 3D バイオプリンティングと呼ばれる分野で、3D プリンティング技術を使用して組織や臓器を作成する研究が増加しています。この傾向は、臓器移植の需要とドナーの供給量の間に深刻な不一致が生じていることの結果です。では、3D バイオプリンティングの将来はどうなるのでしょうか?メリットとデメリットは何ですか?

南極熊は、2022年5月にロンドン大学の研究者が「3D押し出しバイオプリント技術は将来、臓器移植の本当の代替手段となり得るか」という疑問を提起し、人々の深い思考を呼び起こしたことを知りました。彼らはこの問題に関する研究結果を「3Dプリント医学年報」に発表しました。研究者は主に押し出し技術に基づく3Dバイオプリントを研究し、その長所と短所を示しました。同時に、組織や臓器の印刷作業をレビューし、特に皮膚、肝臓、心臓、血管の作成例をまとめました。研究者たちは、この分野で大きな進歩が遂げられていることを考えると、3D バイオプリンティング技術を通じて移植用の完全に機能する組織や臓器を作成することは将来有望であると考えています。

彼らの研究では、主に以下の点を調査、分析しました。
●3Dバイオプリンティングは臓器不足問題を解決する可能性を秘めている●押し出しバイオプリンティングは機能的な臓器を作成する可能性が最も高い●押し出しバイオプリンティングの主な利点と欠点●臓器と血管のバイオプリンティングにおける重要な問題●3Dバイオプリンティングによって生じる倫理的問題

△3Dバイオプリンティングプロセス

押し出しバイオプリンティングの利点と欠点

1. 利点<br /> 他のタイプのバイオプリンティングと比較して、押し出し 3D プリンティングは互換性が非常に高くなります。これにより、バイオインクの連続押し出しが可能になり、構造的完全性を備えた製品を迅速な製造プロセスで製造できるようになります。押し出しバイオプリンティングの機械システムは直接的なプロセス制御であり、バイオインクを高精度に押し出すことができるため、印刷された部品の精度と機械的特性を確保できます。その結果、欠陥が少なく、精度が高く、設計の複雑さに対する制限が少ない 3D 臓器が実現します。押し出しバイオプリンティングでは、ハイドロゲル、細胞膜、細胞密度の高い高粘性バイオマテリアルなどの高粘度バイオマテリアルも使用できるため、自己支持の問題が解決され、再生医療における可能性がさらに高まります。このバイオプリンティングシステムの低コスト化は、研究開発に役立ち、将来的には人間の臓器の大量生産にも使用できるという考えを裏付けます。

△ 押し出し法による生物学的3Dプリンティング

2. デメリット<br /> 押し出し 3D 印刷は、すべてのバイオプリンティング方法の中で最も解像度が低い (約 100 ミクロン) ため、3D 印刷された組織の機能が制限されます。押し出しバイオプリンティングの解像度はノズルのサイズを小さくすることで向上できますが、ノズルの直径が150ミクロン未満になると目詰まりが発生し、バイオインクの堆積圧力が増加するため、細胞に高いせん断応力がかかり、細胞に大きな損傷を与えます。細胞の生存率を低下させ、細胞損傷のリスクを高めるもう一つの要因は、粘度の高いバイオインクの使用です。押し出しベースのバイオプリンティングは、高粘性の生体材料にのみ適合します。高粘度のバイオプリンターは剛性が高く、機械的安定性が向上するという利点がありますが、その結果「印刷性」が低くなります（つまり、せん断減粘挙動が悪くなります） 。印刷段階後の細胞生存率は、バイオインクの粘度、細胞濃度、ノズルの直径に応じて 45% ～ 90% の範囲になります。したがって、押し出しバイオプリンティングの主な課題は、高粘度バイオインクの使用と高い印刷性と細胞生存率の維持との間でバランスを取ることです。

3D 押し出しバイオプリンティングには多くの制限があるにもかかわらず、依然として最も効果的なバイオプリンティング形式と考えられており、これまでに多くの 3D 組織 (肝臓や心臓組織など) の印刷に使用されてきました。また、以下に示すように、皮膚などの臓器も作成されています。

△3Dプリント皮膚と人間の皮膚の比較

将来、押し出しベースの 3D バイオプリンティングによって、完全に機能する人間の臓器を作成できるようになるでしょうか?
3D 押し出しバイオプリンティングは、すでに生きた人間の組織や臓器を作り出し、将来に大きな可能性を秘めた画期的な技術であることは間違いありません。しかし、将来的に完全に機能する人間の臓器を作成できるかどうかが疑問です。 3D プリンティングは過去 40 年間で大きな進歩を遂げており、たとえば 3D プリンターのコストは劇的に低下しました。さらに、過去 27 年間で、3D プリンティング市場の価値は 26.2% の CAGR で大幅に成長しました。 2017年には、この業界の価値は73億ドルで、2021年までに108億1,000万ドルに達すると予想されています。 3D バイオプリンティング市場の拡大と発展においても同様の傾向が見られ、2014 年には 3D バイオプリンティングおよびバイオプリント製品に直接関連する企業の数は 30 社を超えました。オルガノボ社とインベテック社という2つの企業も、2009年に最初の商用3Dバイオプリンターの1つを設計しました。この分野は急速に発展していますが、押し出し 3D バイオプリンティングには依然としていくつかの問題が残っています。

●バイオインクの問題：材料の粘度が高すぎる●3Dプリント臓器に血管網を統合する方法がない●細胞の供給源が不明

倫理的問題<br /> 細胞の供給源は慎重に検討する必要があり、幹細胞の場合には、その供給源に応じて重大な倫理的問題が生じます。

●一部の幹細胞は胚や胎児に由来し、それぞれヒト胚性生殖細胞とヒト胎児細胞と呼ばれます。細胞は中絶された胎児から採取されるが、場合によってはこの目的のためだけに行われた妊娠から採取されることもある。
●もう一つの選択肢は異種細胞を使用することですが、動物細胞の使用に反対する一部の宗教的な患者にとっては倫理的な問題や、個人のアイデンティティに関する心理社会的問題を引き起こす可能性があります。バイオプリンティングに関わるほぼすべての研究では、ウシ胎児血清 (FBS) で培養された細胞が使用されています。
●また、現在使用されている生体材料のほとんどには、細胞の接着性と生存率を高めるためにコラーゲンなどの動物性成分が含まれています。

そのため、動物由来の成分を使用しないバイオプリンティング戦略を定義する手段として、「クリーンバイオプリンティング」と呼ばれる用語が提案されています。これらの方法には、ヒト血小板溶解物やヒト血清アルブミンなど、FBS を含まない培地の使用が含まれます。さらに、コラーゲンは生体材料によく使用される成分であり、主に牛、豚、げっ歯類から抽出されます。代替アプローチとしては、組み換えヒトコラーゲンの製造があります。しかし、このプロセスには、全長コラーゲンの作成の難しさや、天然分子に似たコラーゲンの生成など、複数の問題があります。

患者自身の細胞の使用が不可能な場合には、提供された細胞が使用されますが、提供者がインフォームドコンセントを与えなかったり、同種細胞の提供を強要されたりといった問題も生じる可能性があります。また、移植された臓器が理論的には誰のものなのかも不明瞭になります。臓器の受領者、提供者、手術を行う外科医、病院、あるいは臓器の製造を担当するバイオプリンティング会社でしょうか? 3Dバイオプリント臓器に関連する知的財産権の問題も生じます。研究については、どのように資金が調達されているのか、研究会社は研究結果についてどの程度透明性があるかなど、疑問もあります。 。たとえば、企業は開発を促進するために自社の研究成果を他のグループと共有する義務があるのでしょうか? したがって、 3Dバイオプリント臓器移植によって生じる多くの複雑な倫理的問題を克服するには、強力なガイドラインと普遍的な倫理的枠組みが必要です。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1016/j.stlm.2022.100066

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