サイエンスフィクションが現実に：治癒のためのスプレー、生物学的3Dプリントが生命のコードの絵を描く

出典: ブレインポール

2021年11月の世界保健機関のデータによると、世界には10億人以上の人々が障害を抱えて生活しており、人口の動向や慢性疾患患者の増加に伴い、障害者の数は年々増加しています。新型コロナウイルス感染症のパンデミックが蔓延したここ数年、障がい者の生活は大きな影響を受けています。この脆弱なグループは、発言力が限られているため無視されてきました。国内の障害者インフラや概念により、障害者の日常生活は非常に困難であり、社会価値の連鎖に参加して貢献することはおろか、無関心や差別が至る所に見られます。

トランポリンパークで遊んでいるときに転倒して脊髄損傷により麻痺になった人や、ダンスを習っているときに腰を曲げた姿勢で脊髄損傷を起こし、下半身が麻痺した人など、衝撃的なニュースを覚えていますか。現実の世界では、転倒、交通事故、不適切な運動などにより下半身麻痺のリスクが生じ、生活の質に影響を及ぼします。

脊髄損傷、神経細胞損傷、神経線維断裂、脊髄断裂などにより麻痺を患う人は世界中に数百万人いると報告されており、これらの患者に対する有効な治療法はまだありません。一度麻痺すると、一生車椅子生活を送ることになり、考えただけでも憂鬱になります。

この新しい治療法は、3Dバイオプリント組織を使用して脊髄損傷を治療し、脊髄損傷の人々に希望をもたらします。動物実験では、この新しい治療法により、初期段階の麻痺を患うマウスの100%、長期麻痺を患うマウスの80%の歩行能力が回復した。

この新しい治療法は、科学者と再生医療企業の協力から生まれた。イスラエルのテルアビブ大学サゴル再生バイオテクノロジーセンターのタル・ドヴィル博士率いる研究チームは、イスラエルの再生医療企業マトリセルフと共同で、骨折した脊椎を効果的に修復できる3Dプリント脊髄組織インプラントを開発した。
麻痺したマウスを使ったテストでは、新しいタイプの3Dプリント脊髄組織インプラントがマウスの損傷した脊椎を素早く修復し、最終的に歩行能力を回復させることができた。これは、組織工学インプラントが長期麻痺の動物モデルの運動機能を回復させた世界初の例でもあります。この成功したモデル実験は、人間の麻痺の治療に最も関連のあるモデルでもあり、脊髄損傷の人々に直立した状態で生活する新たな可能性を提供します。

損傷した脊髄を繋ぐという点では、研究者らは急性損傷期に異なる種類の細胞や生体材料を損傷部位に移植するなど、さまざまな方法を提案しており、神経幹細胞や神経前駆細胞を含むさまざまな細胞移植療法がテストされてきました。しかし、実験結果は理想的ではありませんでした。同種細胞または異種細胞による免疫拒絶反応が発生したり、移植された細胞が機能的なネットワークをうまく形成できなかったりして、移植が失敗に終わりました。

3D バイオプリンティング技術は、患者の細胞と細胞外マトリックスを同時に印刷して、生きた組織や臓器を作り出すことができます。研究者らは抽出した細胞外マトリックスを使用して、移植時に免疫拒絶反応を引き起こさないパーソナライズされたハイドロゲルを製造した。培養された幹細胞をハイドロゲルに封入することで、脊髄の胚発生をシミュレートし、その後、運動ニューロンを含む 3D ニューラルネットワークインプラントになります。

比較実験では、研究者らは新しい3Dニューラルネットワークインプラントを移植マウスに移植し、麻痺したマウスの損傷した脊椎を迅速に修復することができた。最終的に、移植を受けた急性麻痺マウスはすべて歩行能力を取り戻し、長期麻痺マウスモデルのマウスの80％も歩行能力を取り戻しました。

3Dバイオプリンティング技術を使用すると、脊髄組織移植片を印刷して麻痺を治療することができ、歩行能力を失った生物が歩行能力を取り戻すことができます。この画期的な進歩は、間違いなく脊髄再生医療の進歩を大きく前進させました。

この技術の人体への応用に関しては、マトリセルフ社は現在米国FDAと積極的に連絡を取り合っており、2024年末までに3Dプリント脊髄インプラントによる人体実験に入る準備を進めていると報じられている。人類が麻痺を治せるようになるまで、あと数年しかかからないかもしれない。考えてみてください。数年後には、何百万人もの人々がこの技術の恩恵を受け、手足の自由を取り戻すでしょう。ワクワクしますね。

組織の損傷と変性は人体ではよく見られる現象です。しかし、深刻な外傷に直面すると、人体の再生能力は対応できず、自己治癒を達成できません。3Dプリント生物組織技術の使用は、一部の組織や臓器の移植に新たな解決策をもたらすこともできます。

複数の分野で「開花」する画期的進歩<br /> 組織工学と再生医療の急速な発展により、3Dバイオプリンティング技術は現在、医療組織工学の分野で最も先進的な技術の1つとなっています。材料科学とバイオテクノロジーの最先端の技術が含まれており、損傷した組織や単純な臓器の代替品や修復品の製造に使用されています。

3D バイオプリンティング技術は通常の 3D プリンティング技術に似ており、どちらもトップダウンの層ごとのアプローチを使用して複雑で正確な 3 次元構造を生成します。違いは、3D バイオプリンティング技術の最終的な目標が、組織や臓器を層ごとに構築することであるということです。

3D バイオプリンティング技術では、印刷する臓器のモデルを設計し、生物学的インクを選択することが鍵となります。バイオインクを例に挙げると、バイオインクは通常、生物学的材料、細胞、およびその他の必要な成分で構成された複合材料です。この技術は、心臓、肝臓、皮膚、骨などの機能的な人間の組織や臓器の研究と製造に使用できるからです。したがって、バイオインク材料の活性と機能性を実現し、維持することがこの技術の鍵となります。

（3Dプリントされた血管が完全なミニ人間の心臓）
臓器移植や組織移植に関しては、3D臓器印刷技術、iPSC技術、異種移植などのソリューションがあり、これらのさまざまなソリューションにはそれぞれ長所と短所があり、さまざまな移植や治療のニーズを解決するために使用されます。それに比べて、3D臓器印刷ではバイオインクの限界に対処する必要があり、異種臓器移植では依然として免疫拒絶や動物の内因性ウイルスの問題を解決する必要があり、iPSC技術では臓器構築を実現するのが依然として困難です。これらのソリューションとテクノロジーはそれぞれの分野内で並行して開発されており、いずれも臓器移植ドナーのリソース不足の問題に対処することを目的としています。

実際の臨床応用においても、3D バイオプリンティング技術は多くの新たな進歩を遂げています。最近、中国の上海第九人民病院の整形外科チームは、患者自身の細胞を抽出し、移植が必要な骨材料の印刷をシミュレートする新しいタイプの3D生体材料印刷技術を開発しました。印刷された骨材料を人体に移植すると、骨細胞が骨癒合効果を発揮し、成長と回復がより速く効率的になります。この技術はこれまで世界中で3回の臨床手術に使用されており、いずれも上海第九人民病院で行われたという。

3D プリント技術は、医療分野での臨床応用に加え、薬物試験、外科手術のトレーニング、医療分野の環境保護にも活用できます。

米国のアンソニー・アタラ氏が率いる研究所は、3Dプリント技術を使って薬剤の毒性をテストできる新たな生体組織を開発しており、この技術は新型コロナウイルスに対する薬剤の毒性をテストする研究実験にも使われている。

環境保護のシナリオでは、一部の研究者が3Dバイオプリンティング技術を使用してバイオニック3Dプリントサンゴを作成しようとしています。サンゴに触発されたバイオマテリアルの新しいツールとして、藻類バイオテクノロジー、サンゴ礁保護、サンゴと藻類の共生研究に使用できます。

臨床医学であれ、組織工学や再生医療の範囲を超えてであれ、3D バイオプリンティング技術の応用はこれらの分野に新たな扉を開き、これまでは遅れて停滞していた研究分野を新たな機会と可能性に結び付けようとしています。

次の目的地は「印刷」生活<br /> 過去 20 年間で、多くの生物学的 3D プリント技術が開発され、組織工学、疾患モデル、薬物スクリーニングなど、多くの生物医学分野に応用されてきました。しかしながら、ほとんどの生物学的 3D バイオプリンティング技術は、臨床応用やトランスレーショナルアプリケーションにはまだ程遠く、多くの障害に直面しています。

1. コア技術自体の限界。臓器組織モデルからバイオインク原料まで、システム全体の技術を向上させる必要があります。たとえば、バイオインク組織の保存期間は、微小環境や温度などのさまざまな条件によって制限されます。単一の印刷技術のブレークスルーだけでは、3Dバイオプリンティング技術の臨床への変革と応用をサポートすることはできません。

2. 政策や規制を補足し、改善する。 3Dバイオプリンティング技術の臨床応用においては、医療従事者や研究者の臨床応用環境を保護するための有効な規制政策が不足しています。このような個別化医療に関わる製品については、革新と応用の土壌を保護するために、広範な議論と意見募集が必要です。

3. 臨床応用における医療と患者の概念の変化。 3Dバイオプリンティング技術の臨床応用は個別化医療を意味し、医療従事者と患者の概念にも要求を提起し、両者が新しい医療製品や機器を偏見なく受け入れることを求めます。個別化医療は、標準化医療に比べて、医療従事者と患者の両方にとってはるかに多くのリスクと責任を伴います。

全体的に、これらの制限により 3D バイオプリンティング技術の大規模な応用は妨げられていますが、バイオメディカル応用の面では、3D バイオプリンティング技術も新たな段階に入るよう努めており、順調な進歩を遂げています。例えば、大規模な組織や臓器の印刷、疾患モデルの確立、微小生理学的システムや臓器チップの構築、バイオロボット、宇宙バイオプリンティングなどです。

たとえば、大規模な組織印刷技術に関しては、in situ バイオプリンティングソリューションにより、損傷部位で直接組織を 3D 印刷できます。

研究チームはこの装置を人間の胃の生物学的モデルでテストし、生きた細胞のバイオプリンティングと傷の修復における有効性を検証した。この技術は将来、胃壁の損傷の治療に利用される可能性がある。将来的には、傷口をスキャンして「バイオインク」を吹き付けるだけで、損傷した組織が修復されるようになる。映画に出てくる未来人の医療技術が実現するだろう。

しかし、このクールな最先端技術は、単一の分野での孤独な戦いではありません。材料、化学、医学、生物学など、さまざまな分野が関わっており、さらに前進するには、これらの分野での共同研究開発が必要です。大規模に適用されれば、健康分野に前例のない貢献を果たすことになるでしょう。

生活の質の向上と老化の遅延は、生命科学分野における人類研究の主なテーマです。普遍的な高齢化時代の加速に伴い、臓器や組織の病理と老化は医療分野で最も大きな打撃を受ける分野となるでしょう。 3D バイオプリンティングに基づくバイオテクノロジー革命は、私たちの生活に新たな可能性をもたらす可能性があります。麻痺した人々の手足の解放であれ、病んだ組織や臓器の治療と置換であれ、それは私たちに、制御不能な未来に立ち向かう自信と勇気を与えてくれます。

しかし、生活の質を向上させ、寿命を延ばすためには、健康的なライフスタイルを送ることに加え、高度な医療サービスを受けられるようにさらにお金を貯める必要もあります。結局、お金がなければ何もできない。一生懸命働くことに集中したほうがいい。

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