バイオプリンターが折れた背骨を生きたまま修復する

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人体の修復に携わる医師や医学研究者にとって、3DプリンターはX線装置、顕微鏡、あるいは鋭利なメスとほぼ同等の価値を持つようになりました。バイオエンジニアは、より耐久性の高い股関節や膝関節、義肢の製造に3Dプリンターを活用しており、最近では、印刷された材料の足場に接着された生体組織の製造にも使用されています。

研究者によると、バイオプリントされた組織は、例えば薬物治療の効果を試験するために使用でき、最終的には臓器全体をプリントし、それを培養して患者に移植することを目指している。機能不全の人体部位を3Dプリントで置換するための最新の取り組みは、カリフォルニア大学サンディエゴ校のチームによるものだ。同チームは、患者の損傷部位にぴったりフィットする脊髄の一部をバイオプリントした。

科学者たちはまず、ソフトジェル製の小さなインプラントを3Dプリンターで印刷し、神経幹細胞を充填しました。その後、このインプラントをラットの脊髄の小さな隙間に外科的に埋め込みました。時間の経過とともに、新しい神経細胞と軸索が成長し、切断された脊髄全体に新たな接続を形成しました。これらの神経細胞は互いに接続しているだけでなく、宿主の脊髄組織や患者の循環器系にも接続し、体内での生存を支えています。精密な3Dプリンティングにより、ソフトジェルと細胞マトリックスは創傷部に正確にフィットすることができました。

ナノエンジニアリング教授のシャオチェン・チェン氏と神経科学者のマーク・タジンスキー氏が率いるUCSDの研究チームは、本日、その研究結果をNature Medicine誌に発表しました。3Dバイオプリンティングに関する研究のほとんどは培養皿で行われますが、今回の実験は、研究チームが実験用ラットでこれを実現したという点で他に類を見ないものでした。そして、実験室で培養された細胞が切断された脊髄の隙間を埋め、ラットの後肢の運動機能を部分的に回復させることに成功したのです。

「彼らは瘢痕組織を形成する細胞の方向を変え、新たな結合を作り出すことに成功しました」と、フロリダ大学の生物医学工学教授で、今回の研究には関わっていないクリスティン・シュミット氏は語る。「これはこの分野で常に大きな課題でした。これは本当に斬新なことです。」

バイオプリンターは、コンピューター制御のピペットを用いてバイオインクと呼ばれる生きた細胞を積み重ね、実験室で人工生体組織を作成します。ほとんどのバイオプリンターは200ミクロンまでの印刷しかできませんが、この研究グループは1ミクロンまでの組織を作製する方法を開発したとチェン氏は述べています。この高解像度により、脊髄を構成する灰白質と白質の混合をより正確に再現することができました。

研究チームは、中央に灰白質があり、その周囲をミエリン神経細胞の白い鞘で保護されている、実際の脊髄の構造を模倣することにも成功しました。この技術により、このインプラントが脊髄の損傷部分をシームレスに置換できるようになることが期待されています。これはこれまで不可能でした。「これが私たちの3Dプリンティングの優れた点です」とチェン氏は言います。「構造を模倣できるのです。他の人には同じことはできません。」

しかし、チェン氏と彼のチームは、脊髄損傷を受けた人が再び歩けるようになるまで、いくつかのハードルを乗り越えなければなりません。第一に、脊髄損傷の多くは、脊髄組織が切断されたり完全に切断されたりするのではなく、押しつぶされたことで生じます。この研究では、動物の脊髄が切断されました。現実世界の脊髄損傷では通常、きれいに断裂することはないため、新しい組織片を人の脊髄に挿入するだけでは容易ではありません。第二に、この技術はヒト臨床試験に入る前に霊長類でテストする必要があります。その間、チェン氏と彼の同僚は、様々な薬物治療の効果をテストするためのミニ臓器を作成するという、バイオプリンティング組織に関する別のアイデアを持っています。過去2年間で、チームはバイオプリントされた肝臓組織と心臓組織も作成しました。

バイオプリンティングはどこまで進化できるのだろうか？昨年、ウェイクフォレスト再生医療研究所のバイオエンジニアたちは、通常の人体構造に見られる6種類の細胞すべてを含む、世界初の3Dプリント脳「オルガノイド」を作製した。もちろん、これは実際に思考する脳には程遠い。フロリダ州立大学のシュミット氏は、実現には工学と脳科学の両面でさらに数十年かかるかもしれないと述べている。

「現時点では、脳の構造を模倣した材料を印刷し、生化学的シグナルや細胞外マトリックス分子を追加することは可能です」とシュミット氏は言う。「しかし、脳の機能については、まだ多くのことが分かっていません。」新しい脳をバイオプリントするというのは素晴らしいアイデアに思えるが、おそらくより難しいのはプログラミングだろう。

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