3D プリンティングから 3D 臓器のプリンティングまで、人間は生命を印刷することからどのくらい離れていますか?

Sep 13, 2022

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1980 年代から今日まで、3D プリントは長い道のりを歩んできました。 3D プリンティングの重要な分野である生物学的 3D プリンティングは、2000 年頃に提案されて以来、大きな進歩を遂げてきました。

もちろん、生物学的 3D プリンティングには、現在広く使用されている手術経路計画用の製品の 3D プリンティングなど、生体適合性要件のない構造の製造、チタン合金接合部などの生体適合性要件のある非分解性製品の製造など、多くのレベルがあります。欠陥修復用のシリコン補綴物、活性セラミック骨や分解性血管ステントなどの生体適合性要件を備えた分解性製品の製造。しかし、最も重要で最も懸念されているのは、生体細胞を操作してバイオニック三次元組織を構築する器官の 3D プリントです。

人間は寿命を延ばしたいという願望を持っているため、臓器の印刷は何千年もの間人類の夢であり、生命の印刷は人類の究極の願いであると言えます。今、人類は人類の究極の願いに向かって突き進んでいます。

なぜ臓器の 3D プリントが必要なのですか?

生物学的 3D プリンティングの実現は、組織工学および再生医療と密接に関連しています。組織再生が目的であり、組織工学が手段です。

その中で、組織工学の概念は、中国系アメリカ人の科学者である馮元真によって提唱され、1987 年に米国国立科学財団によって決定されました。次に、細胞を含む足場を体内に移植して、生体内環境を使用して対応する組織または臓器の形成を誘導し、創傷の修復と機能の再構築を実現します。組織工学の従来の方法は、足場の製造と細胞接着を分離することですが、足場の異なる位置に異なる種類と密度の細胞を沈着させることは困難です。生物学的 3D プリンティングは、マルチセル空間方向操作と異なる細胞密度の制御可能な堆積を実現でき、組織工学が直面している現在の問題を解決します。

長い間、in vitro での活性な組織や臓器の製造は、人々の絶え間ない追求の目標でした。一方で、臓器移植には大きなギャップがあります。これまでのところ、腎不全や悪性腫瘍などの多くの医学的問題は、依然として臓器移植によって治療されています. しかし、同種臓器移植では常にドナーが不足しています。国内外を問わず、臓器提供が不十分なため、マッチングの成功率は高くなく、臓器移植が必要な患者は待つしかありません。

米国臓器資源共有ネットワーク (UNOS) によると、米国では、適切な臓器移植を待てないために 1.5 時間ごとに 1 人の患者が死亡しており、毎年 800 万人以上の患者が組織修復関連の手術を必要としています。中国では統計によると、末期の臓器不全により毎年約150万人が臓器移植を必要としているが、臓器移植治療を受けられるのは毎年約1万人に過ぎず、生体臓器の供給源は限られているため、そのニーズを満たすことができない。忍耐。

腎移植を例にとると、毎年 3000 人の患者が移植され、その需要は 300000 にものぼります。ほとんどの患者は、リガンドを待っている間に悪化するか、死亡することさえあります。同時に、中国で臓器移植を必要とする患者の数は、依然として毎年 10% 以上増加しています。また、臓器移植後の免疫拒絶反応もあり、長期の免疫抑制治療が必要です。

このため、臓器移植におけるドナー臓器の不足や拒絶反応を解決する有効な方法が急務となっています。生物学的 3D プリンティング技術の出現と急速な発展は、組織または器官の不足の問題に対するまったく新しい解決策を提供します - 生物学的 3D プリンティングは、生体外または生体内で、自分の成体幹細胞に由来する生細胞を使用して、生きている器官または組織を直接プリントできます。インビトロで原料として誘導・分化させ、機能を失った臓器や組織を代替します。

現在、生物学的 3D プリンティングは臓器移植の分野で一定の成果を上げており、皮膚、骨、人工血管、血管スプリント、心臓組織、軟骨構造の再生と再構築に適用されています。

一方、現在の医療メカニズム研究では、より正確な in vitro モデルが必要です。従来のソリューションは、多くの場合、二次元の細胞培養と動物実験に基づいています。しかし、二次元の細胞培養による方法は、実体の三次元環境とは大きく異なり、場合によっては相反する結果が出ることもあり、参考値が限定されてしまいます。動物実験における多くの倫理的問題に加えて、最も重要なことは、動物の内部環境と人間の環境には大きな違いがあるということです。

言い換えれば、ヒト細胞を使用して組織または器官の三次元環境を in vitro で再構築できる場合、既存のソリューションの欠陥を十分に補うことができ、in vitro での組織または器官の構築は間違いなく医薬品に広く使用できます。スクリーニングと疾患メカニズムの探索。

これが人々にもたらすのは、精密医療と個別化医療の飛躍です。結局のところ、特に複雑でまれな状態の患者の場合、各人の身体構造と病理学的状態には特殊性と違いがあります。手術のリスクが高いことを考慮して、医師は 3D 印刷技術を利用して患者の病理学的部分を 1:1 の比率で印刷し、複雑で希少で困難な症例の術前計画と正確な訓練を行うことができます。

これは、手術計画を設計するための正確な三次元構造データを医師に提供するだけでなく、手術プロセス全体をプレビューし、より直感的で現実的な前提の下で手術計画を改善し、実際の手術の精度を向上させ、手術のリスク。さらに、さまざまな患者に対して、3D プリントのパーソナライズされた手術ガイドは、手術による外傷と出血を効果的に減らし、手術時間を大幅に短縮し、手術の精度を向上させることができます。

したがって、伝統的な医療技術と比較して、個人差を尊重し、克服することに基づいて、3D印刷技術は真のパーソナライズされたカスタマイズを実現し、医療をより正確にすることができます。

未来はますますはっきりしている

2003 年、クレムソン大学の Thomas Boland は、改造した HP プリンター (h550c) とインクカートリッジ (hp51626a)、チャイニーズハムスター卵巣細胞 (CHO) を含む PBS バッファー、およびマウス胚性運動ニューロン細胞を「バイオインク」として使用することにより、生きた細胞の印刷を実現することに成功しました。および大豆寒天/コラーゲンゲルを「バイオペーパー」として発表し、セルバイオプリンティングに関する最初の論文を発表し、American Science Journal や CNN などのメディアで報道されました。 2004 年、研究グループは最初の細胞と器官の印刷特許を申請し、2006 年に特許認可を取得しました。その後、この技術は、NASDAQ に上場している有名な生物学的 3D 印刷会社である Organovo に認可されました。

それ以来、3D プリントされた臓器も正式に開発レーンに入り、再生医療に多くの希望をもたらしました。 2010 年 12 月、Organovo は novogen MMX を使用して、バイオプリントされた最初のヒト血管を製造しました。それ以来、同社は骨格筋、骨、肝臓組織の小さなサンプルを印刷し、脊椎に神経を移植することに成功し、ヒト移植組織を製造する長期計画を決定しました。当初、このオンデマンド印刷は、主に心筋修復、神経移植、または動脈セグメントに焦点を当てていました。これらの組織は比較的小さく、印刷が容易であり、臨床応用の可能性も大きいからです。

2012 年、スコットランドの科学者は、人間の細胞を使用して、初めて 3D プリンターで人工肝臓組織を印刷しました。同年、ミシガン大学の公立医療センターは、3D プリント技術によって人工気管を作成し、世界で初めて 3D プリントによる臓器移植手術を実施しました。これは、人間が 3D プリントされたパーツを使用して整理および再編成を支援する初めての事例です。 2013 年 5 月にニューイングランドジャーナルオブメディシンに掲載されました。

2012 年 12 月のもう 1 つのまったく異なる展開として、Organovo は Autodesk と協力して、バイオプリンティング用の最初の 3D デザインソフトウェアを作成したと発表しました。これにより、novogen MMX がより多くのユーザーに開かれ、バイオプリンティングの可用性と機能が向上します。

Organovo の会長兼 CEO である Keith Murphy 氏は、Autodesk との同社の新しいパートナーシップの長期的な目標は、「顧客が 3D 組織を自分で設計できるようにし、Organovo に生産の責任を負わせること」にあると述べています。彫刻家が新しいジュエリーをジュエリーメーカーにアップロードできるようになったように、プラスチックや金属のオブジェクトを 3D プリントできます。将来的には、医師はバイオプリンティングのために動脈移植または臓器全体の電子モデルを Organovo に送信することもでき、Organovo は完成品を返送します。 2012 年に MIT Technology Review は Organovo を世界で最も革新的な企業トップ 50 の 1 つにランク付けし、2010 年には Time 誌が novogen MMX をその年の最も優れた発明の 1 つにランク付けしました。

2013 年、世界初のパーソナライズされた 3D プリント製品ピークスカルインプラント (アメリカの OPM 社) が FDA によって承認されました。同年2月、アメリカのコーネル大学の研究者が、ウシの耳の細胞を使って3Dプリンターで人工の耳を印刷し、先天性奇形を持つ子供の臓器移植に使用できるという報告を発表しました。

2014 年 11 月、Organovo は、前臨床薬物試験用に 3D プリントされたヒト肝臓組織 exvive3dtm を発売しました。

2015 年 4 月、Organovo は、ボストンで開催された実験生物学会議で、世界初の 3D バイオプリントされた全細胞腎組織データを発表しました。現在の腎臓組織は、通常の実験室条件下で数日間しか生存できないが、Organovo の 3D プリントされた腎臓組織は「少なくとも 2 週間」存続できる。

中国では、2002 年頃、清華大学の Yan Yongnian 教授がチームを率いて、生物学的 3D 印刷技術の研究を実施しました。「中国での 3D 印刷の最初の人」として知られる研究所。

2013 年 8 月、Hangzhou genovo Biotechnology Co., Ltd. (略して regenovo) は、杭州電子科学技術大学および他の大学の科学者と協力して、生物材料と生細胞を同時に印刷できる 3D プリンターの開発に成功しました。 2015 年 10 月、genefit は第 3 世代の生物学的 3D プリンティングワークステーションを発売しました。これは、薬物スクリーニングのために肝臓ユニットをバッチで「印刷」することに成功しました。

現在、3D バイオプリンティング技術の進歩と成熟により、3D バイオプリンティングの未来はますます明るくなっています。

臓器を3Dプリントする前

しかし、未来が明るいからといって、その過程がスムーズに進むとは限りません。結局のところ、生物学的 3D プリンティングは、医学、生命科学、材料科学、情報技術、組織工学、製造、臨床試験などの学際的な産業です。生きている臓器を印刷するための最も重要な 3 つの条件は、細胞、足場、誘導です。

直接細胞組立技術とは、細胞または細胞マトリックス材料を3Dデータモデルに従って所望の構造に直接組立て、その後の培養によって最終的に生きた組織または臓器を形成することを指します。

間接細胞組立技術とは、生体材料で細胞培養足場を構築し、3Dモデルを介して必要な構造に従って足場の対応する位置に細胞を付着させ、細胞を生存させて生きた組織や器官に培養することを指します。

しかし、臓器自体の構造は非常に複雑で、臓器には複数の細胞があることを知っておく必要があります。複数の細胞をいかに複雑に配置し、それらの成長を維持するかは、臓器印刷が直面する困難な問題です。血管を例に取ります。血管は単純な構造に見えますが、実は異なる細胞組織構造（典型的な血管は主に内皮、平滑筋、線維芽細胞で構成されています）が何層にもわたっているほか、血管壁には選択的透過性という機能もあり、血管壁の弾力性と抗凝固作用により、in vitro で病気の血管を置き換えるために in vitro で活性な血管を製造することが非常に困難になります。

さらに、細胞が正常に成長できるように、足場材料が無毒で人体に適していることをどのように保証するか、細胞の成長をどのように誘導し、印刷された臓器を活性化し、元の臓器を完全に置き換えるかも問題です。解決する必要があります。

最後に、そのような臓器の使用は、人間の本性と道徳に関する一連の考慮事項ももたらします。関連技術の適用を可能にする寛容な世論環境はまだ構築中です。印刷器官に関するこの疑問は、nidi okolafer による短い SF 小説「イベントセンター」に完全に反映されています。

小説では、ナイジェリアのフェンミ大統領が心臓移植を受けたというニュースが山火事のように広がり、全国的な抗議を引き起こしました。現在の科学者の想定とは異なり、イベントセンターが大統領のために用意した人工心臓は、もはや動物由来ではなく、植物組織に基づいており、自家幹細胞と 3D 印刷技術を使用しています。

この技術は小説で成熟しましたが、小説では、米国の主任外科医であるYiqiはまだ手術の有効性について心配しています. イッツィの疑問が主に技術自体の成功または失敗に関連している場合、大統領の甥のシビと元将軍オッチュクによって引き起こされたクーデターは、技術によってもたらされた別の問題に触れました: 心臓移植後に気質に大きな変化があるでしょうか? 、または制御される可能性さえありますか？この推測は根拠のない推測ではありません。現実の世界では、多くの肝移植患者は一定期間内に人格変化を起こしますが、その根源は拒絶反応による内分泌調節の変化である可能性があります。

この心配の鍵は、人々とは何かということです。本来の臓器一式に頼るべきなのか、それとも自分で考えて行動できる体と心に頼るべきなのか。技術の発展は人類の意志にほとんど依存していませんが、それでも技術の二面性には注意が必要です。技術の良し悪しという一連の問いは、技術普及の過程で避けられない道であることが多いことを認識しておく必要があります。それは慣習です」。やはり、技術が出来上がったら、それをどう活かすかが一番気になるところですよね。

3D プリントされた臓器は私たちに美しい未来を約束したかもしれませんが、未来が来る前に、私たちがまだしなければならないことは、この技術を正しく理解することであり、技術的な倫理や使用規則を与えることではありません。臓器印刷の最初のアイデア、および移植に使用できる生きた臓器の in vitro 印刷には、まだ長い道のりがあります。

重要条項