バイオプリンティングの新たな進歩！ペンシルベニア州立大学、組織のバイオプリンティング速度を10倍に向上

2024年11月、アンタークティックベアは、ペンシルベニア州立大学の研究者が、球状体（細胞塊）を使用して複雑な組織を作成する新しいタイプの生物学的3Dプリント技術を開発したことを知りました。この新技術により、組織製造の精度と拡張性が向上し、既存の方法よりも10倍速く組織を生産できるようになり、機能的な組織や臓器の開発や再生医療の進歩の機会が拡大します。研究結果は、「スケーラブルな組織製造のためのスフェロイドの高スループットバイオプリンティング」というタイトルでNature Communicationsに掲載されました。この研究は、その科学的、技術的重要性をさらに証明するものとして、国立生物医学画像・生物工学研究所 (NIBIB) と国立歯科・頭蓋顔面研究所 (NIDCR) からの資金援助を受けて行われました。

背景再生医療と組織工学の発展により、革新的な製造方法としての 3D バイオプリンティング技術は、機能的な組織や臓器を構築するための新たな可能性を提供します。しかし、従来のバイオプリンティング法には、細胞密度、製造速度、壊れやすい細胞構造の保護の点で多くの制限があります。これらの課題は人工組織の機能性に影響を及ぼすだけでなく、臨床応用の可能性も制限します。これらの問題を克服するために、イブラヒム・T・オズボラット教授率いるペンシルベニア州立大学の研究チームは、バイオプリンティングの速度、精度、拡張性を向上させるように設計された新しい高スループット統合組織製造システム (HITS-Bio) を開発しました。

研究内容
オズボラット教授とそのチームが提案した新しい技術、HITS-Bio は、複雑な 3D 組織を作成するための構成要素としてスフェロイド (細胞クラスター) を使用します。スフェロイドは、ヒトの組織と同様の細胞密度を持つ 3 次元の細胞集合体であるため、高密度の組織バイオプリンティングを実現するのに理想的であると考えられています。スフェロイドは細胞密度に優れていますが、従来のバイオプリンティング方法では、効率的でスケーラブルな技術と正確な制御機能が不足しているため、実際のニーズを満たすことができません。これらの問題に対処するため、研究チームは、3次元で移動し、複数の回転楕円体を同時に操作できるデジタル制御のノズルアレイを設計しました。

△HITS-バイオプロセス図

具体的には、ノズルを 4 x 4 のアレイに配置し、一度に 16 個の球状体を拾い上げて、バイオインク基板上に迅速かつ正確に配置できるようにしました。さらに、ノズルアレイはカスタマイズされたパターンに従って球状体を拾い上げ、特定の構造を持つ複雑な組織を作成することができます。

△HITS-バイオパフォーマンス分析

この新しい方法は、スフェロイドを一つずつ処理する従来の技術と比較して、作業効率が大幅に向上し、 90％以上の細胞生存率を維持しながら、既存の技術よりも10倍速い組織製造速度を実現します。オズボラット教授は次のように語っています。「この技術は、球状体の迅速なバイオプリンティングにおける大きな進歩であり、既存の技術よりもはるかに高速で、高い細胞生存率で組織の印刷をハイスループットに実現します。」

研究結果

△1立方センチメートルの軟骨組織を576個の球体にバイオプリント

HITS-Bio プラットフォームの有効性を検証するために、研究者らはいくつかの実験テストを実施しました。まず、約600個の軟骨細胞からなる球状体を含む1立方センチメートルサイズの軟骨組織構造を1時間以内に作成することに成功しました。このプロセスは 40 分未満で完了し、非常に効率的で、既存のバイオプリンティング技術の能力をはるかに上回ります。

重要なのは、研究チームがこの技術がラットモデルにおける外科手術の場でオンデマンドの組織修復に使用できる可能性を実証したことだ。研究者たちは頭蓋骨の傷口に直接球状体を印刷し、マイクロRNA技術を使って球状体が骨に変化するようプログラムした。結果によると、創傷治癒率は3週間後には91%、6週間後には96%に達した。これは、HITS-Bio テクノロジーが骨の修復速度を加速するだけでなく、修復効果を大幅に向上させることを示しています。

さらに、この技術は他の潜在的な応用の見通しも示しています。例えば、ノズルの数を増やすことで、肝臓などの臓器組織など、より大きく複雑な組織を作製できるようになります。これは、将来、臨床使用や移植用にさらに多くの人工臓器が作られる可能性があることを意味しており、再生医療の発展にとって非常に重要です。この研究で実証された 2 つのアプリケーションでは、軟骨自体に血管がないため、血管新生の問題がないことは注目に値します。手術中、周囲の血管がバイオプリントされた骨組織への血流を助けることができます。

展望<br /> 将来を見据えると、HITS-Bio技術の登場により、再生医療や個別化医療に新たな希望がもたらされます。研究チームは、より機能的で臨床的に実行可能な組織を作るための重要なステップの1つである人工組織に血管を組み込む方法の研究を続けています。オズボラト教授は「私たちは、最終的には移植用の臓器を生産できるように、大規模な生産と複雑な構造の構築をサポートできる方法の開発に取り組んでいます」と指摘した。この目標が達成されれば、ドナー臓器移植に依存している現状は大きく変わり、患者により多くの治療の選択肢が提供されることになるだろう。

要約すると、 HITS-Bio テクノロジーはバイオプリンティングの分野における大きな飛躍を表しており、組織製造の速度と品質を向上させるだけでなく、将来の医学研究と臨床応用への新たな道を開きます。関連する研究のさらなる発展と技術の進歩により、この分野でのイノベーションが今後も生まれ、人類の健康にさらに貢献していくと信じています。

オリジナルリンク: https://www.nature.com/articles/s41467-024-54504-7

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