3Dバイオプリンティング

3Dバイオプリンティングとは

3Dバイオプリンティングは、3Dプリンターの技術を応用し、細胞を特定の空間に配置して組織構造を構築する技術です。この技術の核心は、細胞の機能と生存能力を維持しながら、積層造形によって組織様の構造を作り出すことにあります。作成された組織は、医学や組織工学の分野で利用され、薬物や疾患の研究、組織や器官の再生に役立つことが期待されています。初期の特許は2003年に米国で出願され、2006年に承認されました。

プロセス

3Dバイオプリンティングは、一般的にプレバイオプリンティング、バイオプリンティング、ポストバイオプリンティングの3つの段階に分けられます。

プレバイオプリンティング

プレバイオプリンティングは、印刷するモデルの設計と材料の選択を行う段階です。まず、CTスキャンやMRIなどの画像診断技術で臓器の画像を収集し、3Dプリンターで積層造形するためのデータを作成します。このデータに基づいて、細胞を単離し、特別な液状物質と混合して、細胞を生存可能な状態に保ちます。場合によっては、細胞スフェロイドと呼ばれる細胞の凝集体が利用され、これらは足場を必要とせずに印刷材料として使用されます。

バイオプリンティング

バイオプリンティングの段階では、細胞と栄養素の液体混合物をプリンターのカートリッジに充填し、患者の医療スキャンデータに基づいて構造を形成します。印刷された組織はインキュベーターに移され、細胞が成熟して組織に変化します。このプロセスでは、細胞を生体適合性の足場に配置し、層状に重ねることで、組織のような三次元構造を作り出します。しかし、現在の技術では、肝臓や腎臓などの複雑な臓器に必要な血管、尿細管、細胞などを完全に再現することは困難です。バイオプリンティングには、フォトリソグラフィ、磁気バイオプリンティング、ステレオリソグラフィ、ダイレクト細胞押出などの方法があります。

ポストバイオプリンティング

ポストバイオプリンティングは、印刷後の組織を安定化させる段階です。この段階では、機械的刺激や化学的刺激を与え、組織の構造を強化し、機能を付与します。近年では、バイオリアクター技術が開発され、組織の急速な成熟、血管新生、移植後の生着を促進しています。バイオリアクターは、栄養素の輸送、微小重力環境の作成、細胞間の液体の流れの調整、圧力を加えるなど、多様な環境を作り出すことができます。異なる組織には異なるタイプのバイオリアクターが理想的であり、例えば圧縮バイオリアクターは軟骨組織に最適です。

バイオプリンティングのアプローチ

バイオプリンティングのアプローチは、「生物模倣」、「自律的な自己組織化」、「ミニ組織」の3つに分類されます。

生物模倣

生物模倣アプローチは、人体の組織や臓器の自然な構造を模倣し、同じ構造を作り出すことを目的とします。このアプローチでは、臓器の形状、構造、微小環境を複製する必要があり、特にミクロスケールでの組織の複製が重要です。微小環境における生物学的相互作用、機能細胞と支持細胞の配置、液体成分、細胞外マトリックスの組成を理解することが不可欠です。

自律的な自己組織化

自律的な自己組織化アプローチは、胚の器官発生プロセスをモデルとして組織を複製します。初期の発生では、細胞が自身の細胞外マトリックスを構築し、細胞シグナル伝達によって自律的に配置、パターン形成を行います。このアプローチでは、細胞スフェロイドを自己組織化させ、融合させ、配置することで、足場を使わずに組織を形成することも可能です。この方法を応用するには、胚における組織発生のメカニズム、微小環境についてさらに理解を深める必要があります。

ミニ組織

ミニ組織アプローチは、小さな機能的な組織構成要素から大きな組織を構築する方法です。このアプローチは、生物模倣や自己組織化と組み合わせて使用されます。ミニ組織を配置し、大規模化することで、複雑な組織構造を作り上げることができます。具体的な戦略としては、自己組織化する細胞の球体を配置したり、高品質な組織の複製を自己組織化させる方法があります。

プリンター

バイオプリンターは、ハードウェア、バイオインク、印刷材料の3つの主要な要素から構成されます。バイオインクは、生きた細胞または細胞を含むゲル状物質で、液体の様に振る舞い、希望の形状に印刷されます。カートリッジに充填されたバイオインクは、特殊なプリンターで印刷されます。バイオプリンティングの応用として、血管組織や皮膚シートの作成が期待されています。

バイオプリンターには、インクジェット、レーザーアシスト、押出プリンターの3種類があります。インクジェットプリンターは、低粘度で印刷後に瞬時に固まるバイオインクを使用し、高速かつ大量の印刷に適しています。レーザーアシストプリンターは、高解像度の印刷が可能ですが、高価です。押出プリンターは、細胞を含むインクを層状に押し出し、三次元構造を形成します。インクジェットプリンターには、アルギン酸ナトリウムのような細胞に影響を与えずに瞬時に固まる材料が使用されます。押出プリンターには比較的高粘度のインクが使用可能です。

応用

3Dバイオプリンティングは、臓器の作成だけでなく、義肢や皮膚移植のための皮膚の作成にも応用されています。細胞を少量採取し、バイオエンジニアリングを応用することで、患者のニーズに合わせたカスタマイズされた義肢や皮膚を作成できます。また、ナノテクノロジーの進歩により、グラフェンなどの新しい材料を使用した構造の印刷も可能になっています。

ハーバード大学の研究者は、世界で初めて統合センサー付きのheart-on-a-chip（チップ上の心臓）を3D印刷しました。このようなマイクロ生理学的システムは、人間の組織の挙動を模倣し、新薬開発の動物実験を減らす可能性を秘めています。市場調査会社の予測では、3Dバイオプリンティング市場は2028年までに19億ドルに達するとされています。

影響

3Dバイオプリンティングは、バイオマテリアルと呼ばれる革新的な材料の研究を促進し、組織工学の医療分野に大きな進歩をもたらします。バイオマテリアルは、3次元構造を持ち、3Dプリンターで印刷される材料で、軟組織や骨などの代替材料として研究が進められています。アルギン酸などの生体適合性の高い材料は、医療応用において特に有望視されています。また、微小なチャネルを印刷することで、栄養素や酸素の拡散を促進する方法も研究されています。

ミニ臓器を用いた新薬の試験は、動物実験の代替となる可能性があり、医療における大きな進歩に繋がるでしょう。

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