スタンフォード大学が3Dプリント心臓の開発を加速させる方法

出典: 同期

スタンフォード大学の研究者たちは、高度な3Dプリント技術を使用して、生きた細胞から作られたペーストを心臓やその他の臓器に変換しました。

心臓は人体の中で最も驚くべき臓器であり、長期間にわたって均等に血液を送り出す心室と、必要に応じて収縮する柔軟な素材を備えています。それは構造上の驚異ですが、心臓に何か問題が起きると、その本質的な複雑さゆえに修復が非常に困難になります。その結果、先天性心疾患を患う何千人もの若者が、生涯にわたってその病気と闘わなければなりません。

「小児心臓病は米国で最も一般的な先天性疾患の一つです。これは患者の家族に多大な苦難をもたらします。手術によって子供の寿命を延ばす方法もありますが、これらの子供は依然として活動が制限され、不確実な生活を送っています。損傷または変形した組織を何らかの方法で置き換えることによってのみ、真に治癒的な解決策を得ることができます」とスタンフォード大学の生物工学助教授マーク・スカイラー・スコットは述べています。

△スタンフォード大学バイオエンジニアリング助教授マーク・スカイラー・スコット

スカイラー・スコット氏がまさに行っているのは、研究室で心臓組織を改変することで先天性心疾患を治療する新しい方法を研究することです。スカイラー・スコット氏は、これは単に皿の中で細胞を培養する以上のものだと指摘する。既存の技術のほとんどは、一時的な「足場」、つまり細胞を三次元的に固定する多孔質のスポンジのような材料に心臓細胞または幹細胞を埋め込む。このアプローチにより研究者は研究室で組織を培養することが可能になりますが、非常に薄い細胞層でしか機能しません。

「足場が数個の細胞の厚さしかない場合、細胞を適切な場所に置くことができます。しかし、1センチメートルの厚さのものを育てようとすると、組織を成長させるために細胞を適切な場所で育てることは難しく、細胞を生かし続けることも困難です。」スカイラー・スコット氏は、人間の臓器も単一の細胞の塊ではないと付け加えた。各臓器は複数の細胞タイプの複雑な層で構成されており、複製が難しい3D構造を生み出している。

オルガノイドの印刷

臓器の成長問題を解決するために、スカイラー・スコットのチームは、一度に一層ずつ厚い組織を作り、必要な細胞を正しい位置に配置できる高度な 3D 印刷技術を使用しました。スカイラー・スコット氏は、この製造方法は、3D 形状が重要となる心臓などの複雑な組織を複製するのに非常に適していると指摘しました。

細胞の 3D プリントは有望であるにもかかわらず、深刻かつ困難な課題も抱えています。材料を加熱して無数の形状に押し出すことができる消費者向け 3D プリンターとは異なり、細胞は生きており、非常に壊れやすいものです。

「一度に 1 つの細胞だけを配置しようとすると、肝臓や心臓を印刷するのに数百年から数千年かかるでしょう」とスカイラー・スコット氏は言う。「1 秒間に 1,000 個の細胞を配置したとしても、臓器を作るには何十億もの細胞を配置する必要があります。」

代わりに、スカイラー・スコットのチームは、「オルガノイド」と呼ばれる密集した細胞塊を敷き詰めることで印刷プロセスをスピードアップさせている。研究チームは遺伝子組み換え幹細胞を遠心分離機に入れて塊を作り、ペースト状の物質を生成した。この混合物を使用することで、多数の細胞を同時にゲル状の 3D 構造に印刷することができました。これらのオルガノイドを印刷することで、臓器の大規模な構造を実現できます。

細胞プログラミング

しかし、幹細胞を適切な場所に送ることは、ほんの第一歩にすぎません。印刷されたら、研究者は何とかしてそれらをより特殊な細胞タイプに分化させ、健康な臓器組織に似た多層の作動細胞クラスターを形成させなければならない。これを実現するために、スカイラー・スコット氏は幹細胞を化学物質の混合物に浸します。

それぞれの幹細胞は特定の薬剤に反応するように遺伝子操作されており、その薬剤を感知すると、幹細胞は特定の細胞タイプに分化します。細胞の一部は、心臓の中核機能組織を形成する心臓細胞である心筋細胞になるようにプログラムされていました。他の細胞は、組織を接着するマトリックス細胞になるようにプログラムされています。

スカイラー・スコット氏は、印刷された組織をスマートフォンほどの大きさのバイオリアクターでテストし、印刷された細胞を生かし続けることに役立てている。研究チームはバイオリアクターで臓器のような構造物を培養した。長さ約2インチ、直径0.5センチのチューブだ。人体の静脈のように、この小さな装置は自らポンプ機能を持ち、収縮、拡張して液体を通過させることができる。

拡張機能

スカイラー・スコット氏はすぐに、既存の心臓に移植できる機能的な部屋など、より大きな構造物を印刷することが有益であることに気づきましたが、まだ道のりは長いものでした。このシナリオでは、実験的な静脈内ポンプのサイズが 16 倍に増加することになります。それに近い大きさの、まったく新しい臓器を生産するには、研究室は細胞生産を大幅に拡大する必要があるだろう。

「人工心臓の規模を拡大するには、より大きなプリンターを作ればいいだけだ」とスカイラー・スコット氏は言う。「鍵となるのはやはり細胞そのものだ」

「現在、小さなものを印刷するのに十分な細胞を育てるのに1か月かかりますが、非常に高価で、1回のテストに数万ドルかかります。細胞を改良して、より丈夫にし、より安価に育てる方法を見つける必要があります。新しい細胞のパイプラインが整えば、驚くべき進歩が見られるようになると思います」とスカイラー・スコット氏は語った。

オリジナルリンク: https://news.stanford.edu/2022/0 ... art-one-layer-time/© 終わり

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