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長年にわたり、科学者は、おもちゃ、家、科学ツール、そして自分自身を複製する DNA コードが入ったプラスチック ウサギを作るために使われてきた 3-D プリントが、いつか、ドナー臓器の不足を軽減するために生きた人間の身体の一部をプリントするのに利用されるだろう、と予測してきました。 これまでのところ、研究者たちは医療や歯科の分野でも3Dプリントを使って、歯科用インプラントや補綴物、外科医が患者を切る前に練習するためのモデルなどを作っています。
まだ誰も、完全に機能する、移植可能な人間の臓器をプリントしていませんが、科学者はそれに近づきつつあり、薬のテストに使用できる組織の断片を作ったり、身体の複雑な生物学を再現するという課題を克服する方法を設計しています。
最初のステップ
最初の 3-D プリンタは 1980年代後半に開発されました。 これは、コンピューター支援設計 (CAD) ソフトウェアを使用して設計された小さなオブジェクトを印刷することができました。 デザインは、わずか1000分の3ミリの厚さのレイヤーに仮想的にスライスされます。
パターンを敷き詰めるために使用する主な方法は 2 つあります。非常に細いチップからペーストを押し出して、デザインを一番下の層から印刷し、各層を前の層に支えながら上に向かって印刷します。 あるいは、樹脂で満たされた容器から始めて、先の尖ったレーザーで樹脂の一部を固め、上から下に固形物を作り、それを持ち上げて周囲の樹脂から取り除くことも可能です。
身体の一部や器官のレプリカを作るために細胞や生体材料を印刷する場合、これら 2 つの戦略は同じですが、この方法で生体材料を扱う能力は、細胞生物学者、エンジニア、発生生物学者、材料科学者などからの情報が必要でした。 どちらも、人体の機能に関する実用的かつ理論的な洞察をもたらしています。 これらのモデルの中には、製薬会社が動物実験や最終的な臨床試験に移る前に、薬の試験に使用するものもある。 例えば、あるグループは、心臓の細胞をチップ上にプリントし、それをバイオリアクターに接続して、有名な抗がん剤であるドキソルビシンの心臓への毒性をテストした。 その結果、この薬剤にさらされた細胞の拍動数が劇的に減少することが確認された。
しかし、科学者はまだ、人間の組織の無数の構造的特徴や機能を本当に再現した臓器を構築できていない。 ユタ大学の生物工学者であるRobby Bowles氏は、「耳を3Dプリントするような試みをしている企業はいくつもあります」と述べ、研究者はすでに3Dプリントした耳を、先天性異常で耳が未発達の子供に移植したことを報告しています。 耳の移植は、「医療用 3D 印刷の最初の概念実証のようなものだ」と彼は言います。
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Bowlesは、研究者は、生体に移植できるより複雑な組織や器官のプリントにはまだ「道半ば」であると付け加えました。 しかし、多くの科学者にとって、それこそが目標なのです。 United Network for Organ Sharingによると、2020年2月現在、米国では11万2,000人以上が臓器移植を待っている。
長年にわたり、生物工学者は3次元の足場を作り、そこに幹細胞を植え付け、最終的に分化して臓器の形に成長させようとしてきました。 「その組織で細胞がどこに行くかをコントロールすることはできません」。 これとは対照的に、3D 印刷では、研究者は細胞の配置を非常に正確に指示することができ、臓器の発達をよりよく制御できるようになります。 このような臓器は、患者固有の人工多能性幹細胞から作ることができる可能性があるが、一つの課題は、細胞を特定の臓器を作るのに必要な成熟した細胞のサブタイプに分化させることである。 「
生体内で見られるパターンを模倣するために、科学者はハイドロゲルや他の環境に細胞を印刷し、分子シグナルや勾配を与えて、細胞を生きた臓器に組織化するように誘導します。 このハイドロゲルは3Dプリンターで作ることができます。 イリノイ大学の生物工学者エベン・アルスバーグは、『The Scientist』誌に電子メールで、「他の技術では、得られるパターンは通常2次元でした」と語っている。 「3次元バイオプリンティングは、3次元での信号提示をより多く制御することができます。
これまでのところ、研究者は、特定の器官の一部を模倣した組織のパッチを作成していますが、完全な器官の複雑さや細胞密度を複製することはできていません。 しかし、一部の患者では、パッチでさえも効果的な治療法となる可能性があります。 2016 年末、Organovo という企業が、3D プリントした肝細胞のパッチを移植したところ、遺伝性肝疾患のマウス モデルにうまく生着し、肝機能の改善を示唆するいくつかのバイオマーカーが増加したという研究を発表しました。
血管系
ここ数年になってようやく、3D 器官のプリントにおける最大の難点の 1 つ、血管系の形成について研究者が前進しはじめました。 パッチは、Organovo の研究でマウスの肝臓に移植された後、周囲の肝臓組織によって血液が送られましたが、臓器全体が血流のために準備される必要がありました。
「細胞が生き続けるためには、血液の供給が必要です。ですから、この巨大な組織の塊だけではいけません」と、3Dプリント組織を支える足場を製造・販売しているPrellis Biologics社の組織工学シニアディレクター、Courtney Geggは言います。 “それは重要な問題の1つとして認識されています。”
ウィス研究所の生物工学者であるマーク・スカイラー＝スコットは、この問題が “何十年も組織工学を妨げてきた “と述べています。 しかし2018年、セバスチャン・ウゼル、スカイラー＝スコット、およびヴィス研究所のチームは、血管を完備した小さな鼓動する心室を3Dプリントすることに成功しました。 組織をプリントした数日後、Uzel氏は、研究室にやってきて、痙攣している組織の一部を見つけ、それは「とても恐ろしく、かつ刺激的」だったと言います。
どんな細胞でも、生き続けるためにはその血液供給を必要とするので、この巨大組織の塊だけではダメなんですね。
-Courtney Gegg, Prellis Biologics
チームは、静脈を層状にプリントする代わりに、埋め込みプリント技術を使用しました。 この手法により、研究者たちは「3次元の自由形状」を印刷することができ、構造を支えるために各層を1つずつ印刷する必要がないため、より効率的に血管樹を印刷することができるとSkylar-Scott教授は述べている。 この場合のマトリックスは、心臓の心室を構成する細胞材料であった。 ゼラチンのようなインクがこれらの細胞を優しく押し出し、流路のネットワークを作り出したのです。 印刷が終わると、この組み合わせを温めた。 この熱により、細胞マトリックスは固化しましたが、ゼラチンは液化したので、洗い流すことができ、血液が流れるための空間を残すことができました。
しかし、これは問題が完全に解決したわけではありません。ヴィース研究所のチームの心室には血管がありましたが、フルサイズの心臓ほどではありませんでした。 Geggは、人間の生物学を真に模倣するには、「個々の細胞は、最も近い血液供給源から200ミクロン以内にいなければならないだろう」と指摘しています。 . . . すべてが、とてもとても近いところになければならないのです」。
血管系を追加するハードルや、3D プリント組織が直面している他の多くの課題があるため、実験室で作られた臓器がすぐに移植できるようになることはないでしょう。
エマ・ヤシンスキーは、フロリダ在住のフリーランスのレポーターです。 Twitterでフォローする @EmmaYas24.
Emma Yasinskiはフロリダ在住のフリーランスの記者です。