カリフォルニア大学デービス校の高スループット3Dバイオプリンターが医薬品開発を加速

2021年6月10日、アンタークティックベアは、カリフォルニア大学サンディエゴ校のナノエンジニアが、極めて高速な3Dプリントが可能なハイスループットバイオプリンティング技術を開発したことを知りました。 30分で96ウェルの生体組織サンプルアレイを生成できます。研究者らは、カスタマイズされた生体組織を迅速かつ大量生産できるこの3Dプリンターは、前臨床薬物スクリーニングとハイスループット疾患モデリングを加速し、薬物開発をより迅速かつ費用対効果の高いものにすることができると述べている。
△ ハイスループット3Dバイオプリンティング
製薬会社が新薬を開発するプロセスには最長15年かかり、費用は26億ドルにもなる。通常、それは試験管内で何万もの薬剤候補をスクリーニングすることから始まります。合格者は動物実験を受け、この段階を通過した候補者は臨床試験に参加します。運が良ければ、これらの候補薬のうちの 1 つが FDA 承認の薬として市場に出ることになるだろう。
カリフォルニア大学サンディエゴ校で開発された高スループット 3D バイオプリンティング技術により、このプロセスの最初のステップが加速される可能性があります。これにより、医薬品開発者は大量のヒト組織を迅速に収集し、それを使って医薬品候補をより迅速にテストし、除外することが可能になる。
「人間の組織を研究することで、薬がどのように作用するかについて、よりよいデータ、実際の人間のデータを得ることができます」と、カリフォルニア大学サンディエゴ校ジェイコブス工学部のナノエンジニアリング教授、シャオチェン・チェン氏は語る。「私たちの技術は、高スループット、高再現性、高精度でこれらの組織を作成できます。これは、製薬業界が最も有望な薬を迅速に特定し、それらをターゲットにするのに本当に役立ちます。」この研究は、バイオファブリケーション誌に掲載されました。
研究者らは、この技術は動物実験も必要になるかもしれないが、その段階での失敗率を最小限に抑えられる可能性があると指摘している。
さらに、陳研究室の博士研究員でこの研究の共同筆頭著者であるシャンティン・ユー氏は、「私たちがここで開発したものは、実際の人間の組織をより忠実に模倣した高度な3D細胞培養システムであり、医薬品開発の成功率が向上することが期待されます」と指摘した。
この技術は、精度の点で他の 3D バイオプリンティング方法に匹敵するだけでなく、速度を犠牲にすることなく、血管網を含む人間の肝臓がん組織など、複雑な微細構造を持つリアルな構造を印刷することもできます。チェン氏の技術を使用すれば、このような組織サンプル 1 つを印刷するのに約 10 秒しかかからないが、従来の方法で同じサンプルを印刷すると数時間かかる。サンプルを工業用ウェルプレートに直接自動的に印刷できるという利点もあります。つまり、スクリーニングのためにサンプルを印刷プラットフォームからウェルプレートに手動で転送する必要がなくなります。
「96 ウェルプレートにスケールアップすると、時間に大きな違いが見られます」とチェン氏は言います。「従来の方法では、少なくとも 96 時間に加えてサンプルの転送時間がかかりますが、私たちの技術では合計 30 分しかかかりません。」
再現性は、この研究のもう一つの重要な特徴です。この技術によって生成される組織は高度に組織化された構造であるため、工業規模のスクリーニング用に簡単に複製できます。「これは薬物スクリーニング用のオルガノイドを培養する新しい方法です」とチェン氏は説明する。「オルガノイドでは、異なる細胞タイプを混合し、それらが自己組織化して 3D 構造を形成しますが、この構造は十分に制御されておらず、実験ごとに異なります。そのため、同じ特性、構造、機能を再現することはできません。しかし、当社の 3D バイオプリンティング法では、異なる細胞タイプ、量、微細構造を印刷する場所を正確に指定できます。」
仕組み
組織サンプルを印刷するために、研究者たちはまずコンピューター上で生物学的構造の 3D モデルを設計しました。デザインは医療スキャンから取得することもできるため、患者の組織に合わせてカスタマイズできます。次に、コンピューターがモデルを 2 次元のスナップショットに切り取り、それを何百万もの極小サイズのミラーに送信します。各ミラーはデジタル制御されており、これらのスナップショットの形で紫色の光のパターン（細胞にとって安全な波長 405 ナノメートル）を投影します。生きた細胞培養物と光にさらされると固まる感光性ポリマーを含む溶液に光のパターンを照射します。この構造は、連続的に一度に 1 層ずつ高速印刷され、生きた細胞を包み込み、生物組織に成長できるようにする 3 次元の固体ポリマースキャフォールドを作成します。
デジタル制御のマイクロミラーアレイは、プリンターの高速動作の鍵となります。層ごとに印刷しながら完全な 2D パターンを基板上に投影するため、ノズルやレーザーで各層を 1 行ずつスキャンする他の印刷方法よりもはるかに高速に 3D 構造を生成できます。
「例え話として、鉛筆とステンシルで形を描くことを比べてみてください」とチェン研究室のナノエンジニアリング博士課程の学生、ヘンリー・ファン氏は言う。「鉛筆では、形が完成するまで線を一つ一つ引かなければなりません。ステンシルなら、一度に形を描けます。これが私たちの技術におけるDMDの役割です。速度が桁違いです。」
この最近の研究は、2013 年にチェン氏のチームが発明した 3D バイオプリンティング技術に基づいています。それは、再生医療のための生きた生物組織を作成するためのプラットフォームとして始まりました。これまでのプロジェクトには、肝臓組織、血管網、心臓組織、脊髄インプラントの 3D プリントが含まれていましたが、それだけです。近年、チェン氏の研究室では、海洋科学者が海藻の成長を研究したり、サンゴ礁の修復プロジェクトに役立てたりするために使用できる、サンゴにヒントを得た構造物を印刷する技術の使用を拡大している。

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