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3D「バイオプリンティング」は子供の心臓欠陥などに役立つ可能性がある

By Natalie Sabin

2022年7月11日 - 米国では、100人に1人近くの子どもが心臓の欠陥を抱えて生まれてきます。その影響は壊滅的で、子どもは時間の経過とともに交換しなければならない埋め込みデバイスに頼らなければならないこともある。

「スタンフォード大学の生体工学の教授であるMark Skylar-Scott博士は、「機械的な解決策は、患者とともに成長するものではありません。"つまり、患者が成長するにつれて、何度も手術が必要になるのです。"

彼と彼のチームは、そのような子供たちに、より少ない手術回数でより良い生活の質を提供できるような解決策を研究しています。彼らのアイデアです。3Dの "バイオプリンター "を使って、医師が患者を助けるために必要な組織を作ることです。

「夢は、心臓弁や心室など、生きていて患者とともに成長する心臓組織をプリントできるようになることです」と、過去15年間、血管や心臓組織を作るためのバイオプリント技術に取り組んできたスカイラー＝スコットは語っています。

あなたの体のための3Dプリンター

通常の3Dプリンターは、オフィスにあるインクジェットプリンターとほぼ同じ仕組みですが、1つだけ重要な違いがあります。紙の上にインクを吹き付けるのではなく、溶けたプラスチックなどの材料を何層にも重ねて、下から上へと造形していくのです。自動車の部品から家まで、あらゆるものができあがります。

3Dバイオプリンティングは、生きた細胞を使って皮膚、血管、臓器、骨などの3次元構造物を作るプロセスで、SF映画の世界のように聞こえるが、実は1988年から存在していた。

3Dプリンターがプラスチックやコンクリートを使うのに対し、バイオプリンターは「細胞、DNA、マイクロRNA、その他の生物学的物質」を必要とします。

「これらの材料は、細胞が生存して成長できるように、ハイドロゲルに充填されます」とオズボラット教授は言います。この "バイオインク "は、その後、層にされて、生きた組織に成熟するのに3～4週間かかるそうです。

科学者たちは、これまでどんな体の部分をプリントすることができたのでしょうか？これまでのところ、バイオプリンティングによって作られた組織のほとんどは、非常に小さなもので、そのほとんどすべてが、まださまざまな試験段階にあります。

「軟骨の耳の再建、神経の再生、皮膚の再生などの臨床試験が始まっています」とオズボラット教授は言う。「今後5年から10年の間に、複雑な臓器についての臨床試験がもっと行われるようになるでしょう」。

何がバイオプリンティングを妨げているのか？

3Dバイオプリンティングの問題点は、人間の臓器は分厚いということだ。1ミリの組織をプリントするのに数億個の細胞が必要です。このため、リソースが膨大になるだけでなく、時間もかかる。一度に1個の細胞を押し出すバイオプリンターでは、数ミリの組織を作るのに数週間を要する。

しかし、Skylar-Scottと彼のチームは最近、製造時間を大幅に短縮できるかもしれない画期的な成果を上げた。

スカイラー・スコットのチームは、単一細胞ではなく、オルガノイドと呼ばれる幹細胞の集合体を用いてバイオプリントを行うことに成功した。いくつかのオルガノイドを近づけると、米粒が集まっていくのと同じように、細胞同士が結合する。この塊は自己組織化し、小さな臓器のような小さな構造体のネットワークを形成する。

「単細胞をプリントする代わりに、より大きなビルディングブロック（オルガノイド）をプリントすることができます」と、Skylar-Scottは言う。"我々は、それが組織を製造する迅速な方法であると信じています。"

オルガノイドが製造を早める一方で、この方法の3Dバイオプリンティングの次の課題は、十分な材料を持つことです。

"たくさんの細胞でモノを製造できるようになった今、実践するにはたくさんの細胞が必要です。"とSkylar-Scottは言います。どれくらいの細胞が必要なのだろうか？一般的な科学者は、1つの皿に100万から200万個の細胞を使って研究しています」と言う。大きく分厚い臓器を作るには、100億から3000億の細胞が必要です "と。

バイオプリンティングは医療をどう変えるか

バイオプリンティングのひとつの展望は、生きた心臓組織や臓器全体を作り、子供たちに使用することです。臓器移植や手術の必要性を減らすことができるかもしれない。

しかし、重要な体の組織をプリントして使えるようにするには、多くの問題を解決する必要がある。

「今は、心臓を丸ごとプリントするのではなく、小さく考えています」とSkylar-Scottは言う。その代わりに、弁や心室といったより小さな構造に焦点を当てているのです。そして、これらの構造は、少なくとも5年から10年先の話だとSkylar-Scottは言う。

一方、オズボラット氏は、患者が手術台に乗っている間に、医師が必要な構造を正確にバイオプリントできるような世界を思い描いている。「外科医が患者の上で直接プリントを引きずることができるようになる技術です」とオズボラット氏は言う。このような組織印刷技術はまだ初期段階にあるが、彼のチームはこの技術をさらに発展させることに専念している。