3Dプリントされたこのふわふわの人間の心臓はまるで本物のようだ

HBOのSFシリーズ『ウエストワールド』のオープニングでは、3Dプリンターが人型ロボットを大量生産します。人間の信じられないほど複雑な構造を繊細に組み立てることで、ロボットたちは（ネタバレ注意）いたずらなことをするのです。結局のところ、大量の生身の人間を殺すには、高度な生体力学的協調性が必要なのです。

ところで、研究者たちは3Dプリントされた肉と血液の実現に向けて科学的な飛躍を遂げた。ACS Biomaterials Science & Engineering誌に最近掲載された論文によると、あるチームは低価格の3Dプリンターを改造し、人間の心臓のMRIスキャン画像を実際に手に持てる変形可能な実物大のアナログに変換する装置を開発したという。握ると本物のように曲がる。スライスして開くと心室が現れる。このアイデアは、ウエストワールドに出てくるような殺人的なヒューマノイドをいつか実現することではなく、外科医が手術前に患者の心臓で練習するより良い方法を提供することだ。この進歩は、最終的には完全に機能する3Dプリント心臓につながり、医療機器開発者に製品をテストするための前例のないプラットフォームを提供する可能性がある。

研究者たちはこの技術を「Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels（FRESH）」と名付けています。まずは実際の心臓をスキャンし、そのデータを3Dプリンターが読み取れる形式に変換します。この装置は材料の層を積み重ねて作るため、3D画像をスライサープログラムに通します。「基本的に、各層ごとに材料が押し出される経路を定義し、それをプリンターに送ります」と、カーネギーメロン大学の生物医学エンジニアで、今回の論文の共著者であるアダム・ファインバーグ氏は述べています。

このプリンターは、海藻由来の柔らかい素材であるアルギン酸塩を大量生産します。研究者たちは、その低コストと人間の心臓組織の材料特性への類似性から、この素材を選択しました。しかし、通常の3Dプリンターがプラスチックで何かを作る際に行うように、アルギン酸塩を空中に押し出すのではなく、このプリンターは人工心臓をサポートゲル、具体的にはゼラチンの容器に押し出します。

「ヘアジェルの中にプリントしているところを想像してみてください」とフェインバーグ氏は言います。あのジェルのボトルの中に浮かぶ小さな気泡を想像してみてください。素材が十分な支えを与えてくれるので、気泡はいつまでも、少なくともボトルからジェルを押し出すまでは浮かび続けます。この場合、ゼラチンは3Dプリンターの針が滑り抜けるのに十分な柔軟性を持っています。「押し出したものは、ヘアジェルの中の気泡のように、その場に留まります」とフェインバーグ氏は言います。

さて、人工心臓という技術に関して言えば、全く異なる手法、それがジェロショットだ。臓器のプリントが終わった後、研究者たちはそれを取り囲むゲル格子を溶かす方法を必要とし、そこで馴染みのある手法を用いる。「多くの人が、お菓子作りやジェロショットを作る際にゼラチンを使うことでこの現象を経験したことがあると思います」とフェインバーグ氏は語る。「温めると液体ですが、冷やすと固体のゲルになります。私たちはこの性質を利用しています。」心臓を取り出す準備ができたら、フェインバーグ氏がやるべきことは、浴槽の温度を体温まで上げ、支持ゲルを溶かして3Dプリントされた構造物を残すだけだ。

外科医はこれまで、患者自身の臓器のスキャンデータに基づいて3Dプリントされた心臓を使用してきました。しかし、それらは硬質プラスチックを用いるという昔ながらの方法で作られていました。一方、この新しいアルギン酸心臓は、実際の組織と同様の弾力性を備えています。「圧迫したり押したりすると、同じ量だけ変形します。これは明らかに硬質ゴムやプラスチックよりもはるかに大きいのです」とフェインバーグ氏は言います。これにより、この心臓はより現実的なツールとなり、例えば、貫通できないプラスチックでは不可能な縫合の練習などが可能になります。

さらに、研究チームは同じ技術を用いて冠動脈の別の部分を3Dプリントし、灌流性、つまり血液を運ぶ能力があるかどうかを検証しました。そして予想通り、人工血液を注入したところ、動脈は液体を漏らすことなく保持しました。これは、相互につながった血管系を持つ心臓の作製に向けた一歩だとフェインバーグ氏は述べています。これにより、外科医は血液が流れている状態で動脈の縫合を練習できるようになります。

さらに、このチームは最終的に、プリントした心臓を「細胞化」、つまり人間の心筋細胞を構造に加えることで、本物の心臓のように鼓動を打つようにしたいと考えています。これらの細胞は既に研究室で培養されており、科学者たちは幹細胞を採取して心臓細胞へと分化させています。問題は、少なくとも現時点では、現実的には一度に1億個の細胞しか作れないことです。実物大の心臓を作るには、1000億個の細胞が必要です。しかし、フェインバーグ氏は「この問題が解決されれば、この製造技術はすぐに使える状態になります」と述べています。

では、3Dバイオプリントされた臓器が実際に機能するのはいつになるのだろうか？「答えは10年以上です」とフェインバーグ氏は言う。「そこに到達するまでにやるべきことはたくさんあります。」　結局のところ、これは複雑に血管が張り巡らされた臓器なので、動脈での取り組みを心臓全体にまで拡大する必要がある。そして、実際に筋肉として機能させるには、細胞の実験室生産における進歩が必要だ。

その間、これらのプリント心臓の初期段階は、外科医が手術の準備をより良くするのに役立つ可能性があります。「実際に触覚の忠実度が大幅に向上しているという事実は非常に重要です」と、心臓集中治療医のリリアン・スー氏は述べています。スー氏は3Dプリントをトレーニングツールとして研究してきましたが、今回の研究には関わっていません。外科医は、カスタムプリントされた心臓を使って、患者とその家族に手術の流れを伝えることさえできるでしょう。「この質感こそが、本当に斬新な要素だと思います」とスー氏は付け加えます。「そして、家族は特定の症例に対する外科医の計画を知りたいと思うようになるでしょう。そして、それは同意プロセスの一部になるでしょう。」

将来的には、アルギン酸で作った心臓の材料費が10ドル程度なので、病院はこれを安価に提供できるようになるでしょう。フェインバーグ氏らは、様々な材料を使った実験も行っています。コラーゲンは結合組織を構成するタンパク質として、既に人体の構造を担っているため、コラーゲンで心臓をプリントすれば、よりリアルな心臓を作ることができます。実際、乾燥重量で見ると、私たちの体は他の何よりもコラーゲンでできています。しかし問題は、コラーゲンははるかに高価だということです。同じバイオプリント心臓を作ると、2,000ドルもかかります。

しかし、複雑な心臓手術という大局的な視点から見れば、2,000ドルは最小限の投資です。「ですから、コラーゲンを使った方がよりリアルな仕上がりになるケースはいくつかあると考えています」とフェインバーグ氏は言います。「しかし、研究室で研究を行う場合、そして技術開発で多くのミスを犯している場合、最初のパスではアルギン酸に焦点を合わせました。」

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