3Dプリント技術がミニチュア心臓の作製に役立ち、心臓病の治療を早める

南極クマの紹介: 米国疾病予防管理センターによると、さまざまな種類の心臓病により、36 秒ごとに 1 人が死亡しています。心臓病は現代人の間で一般的な病気になっています。この目的のために、科学者たちはこの問題を解決するためにさまざまなアプローチを試みてきました。彼らは実験用の心臓を機械に接続して再び鼓動を起こさせたり、研究室で培養した心臓組織をバネに取り付けて心臓が膨張したり収縮したりする様子を観察したりした。しかし、それぞれの方法には欠点がある。復活した心臓は数時間しか鼓動できず、バネでは本物の筋力を再現できないのだ。さて、人々は新たな解決策を見つけたのでしょうか?

2022年4月25日、アンタークティックベアは、ボストン大学の研究チームが、本物の心臓をより正確に模倣するのに役立つ可能性のある小型生体心室（愛称「ミニポンプ」）を開発したと主張していることを知りました。この技術は正式には「心臓用小型精密一方向マイクロ流体ポンプ」と呼ばれています。同時に、将来的には他の臓器を研究している研究者への技術サポートも提供できるようになります。

△人工部品と幹細胞の組織から作られた心臓室のミニチュアレプリカ。画像提供：ボストン大学
「ミニポンプ」の開発
それはわずか3平方センチメートルで、郵便切手ほどの大きさです。人間の心室、つまり筋肉の下の部屋と同様に機能するそのカスタムコンポーネントは、3D プリントされたプラスチックの薄いシート上に取り付けられています。

このミニチュア心臓レプリカは、ナノエンジニアリングされた部品と人間の心臓組織を組み合わせて作られています。バネや外部動力源を使わず、幹細胞から培養された生きた心臓組織によって駆動され、本物の心臓のように自ら鼓動します。

△小型メタマテリアルステントが収縮する心腔を支えます。ボストン大学からの画像上記画像へのコメント: (A) 心室、心臓弁、圧力勾配に対する一方向の流れを備えた完全な「ミニポンプ」の概略図。 (B) 中空TPDLW由来スキャフォールドによって支持された心臓組織空洞の模式図。（cおよびd）came式の足場（c）のスキャン電子顕微鏡（d）は、逆角の足場のチャンバー（e）がsemの崩壊を制御します（g）の矢印は、ヘリックスの厚さを示しています。薄いヘリックスは8.3±0.2μmでした。

3D プリントされた組織スキャフォールド<br /> 生体模倣組織モデルは、発達、成人期、再生、および疾患中の臓器レベルの機能を研究するための洗練された次世代の in vitro 培養モデルへと急速に進化しています。

それぞれの小さな部品を印刷するために、研究チームは、より精密な 3D 印刷技術である 2 光子直接レーザー書き込みと呼ばれるプロセスを使用しました。光が液体樹脂に照射されると、光が触れた部分が固体になります。これにより、光をより正確に狙うことができ、小さな点に集中させることができます。「ミニポンプ」の多くの部品は、塵の粒子よりも小さいミクロン単位で測定されます。

△左側では、心臓組織の収縮により「ミニポンプ」の 1 つの部屋が拍動します。組織が拍動すると、心室から液体が排出されます (右)。これは人間の心臓が血液を送り出すのと同じです。ボストン大学のビデオ「ミニポンプ」の構造は、「より洗練された3Dプリント構造を使用することで、より複雑な細胞組織を作成できる」ことを示していると彼らは言う。現在、研究者が心臓細胞であれ肝臓細胞であれ、細胞を作ろうとすると、その構造は乱雑で、従来の方法では構築が困難である。しかし、この「ミニポンプ」は、腎臓から肺まで、他の臓器チップの基礎を築き、将来の生物学に広範囲にわたる影響を与える可能性のある、初めての3Dプリント組織足場を使用している。

△心臓組織を支える 3D プリントされた足場 (多くのコンポーネントはミクロン単位で測定され、このような微細スケールでは通常は硬い材料が柔軟になります)。画像提供：ボストン大学
障害物を飛び越える<br /> 研究者らは、この技術は最終的に医薬品開発プロセスをスピードアップし、より迅速かつ安価にする可能性があると述べている。治療法が人間の臨床試験に備える前に、長期にわたる一連の実験に数百万ドル、場合によっては数十年を費やす代わりに、研究者はミニポンプを使用して広範な実験テストを実施することができます。

△「高精度製造技術を用いたチップ上の生体心臓ポンプの設計」資料リンク（こちらをクリック）
この技術により、研究者は心臓の働きをより正確に理解できるようになり、胎児期の心臓の成長を追跡できるようになるほか、こうした疾患の原因をさらに深く探究し、新たな効果的な治療法とその潜在的な副作用を試験できるようになる。これらすべては生きた生物を必要とせずに実験室で行うことができます。

「これまで不可能だった方法で病気の進行を研究できる」とボストン大学工学部のアリス・ホイット教授は語った。「心臓組織の研究を選んだのは、その仕組みが特に複雑だからです。しかし、ナノテクノロジーと組織工学を組み合わせると、それが可能になります。」

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