細胞材料を用いた3Dプリントであるバイオプリンティングは、個別化医療の次なる大きな潮流になろうとしています。 軟骨工学・再生グループの研究室 の 健康科学技術学部 では、マッティ・ケスティが研究の最新成果を紹介しています。栄養溶液を満たしたボウルの中には、鼻と小さな耳の形をした濁った白い軟骨ができています。博士課程の学生である彼は、研究室独自のバイオプリンター、すなわち生体材料用3Dプリンターを使い、生体高分子と生きた軟骨細胞を混ぜてこれらを作りました。この驚くべきプリンターは実験室のドラフトほどの大きさで、一見すると保護機能付きの排気装置のように見えます。システムの中核は、異なる懸濁液をそれぞれ注入できる8本のシリンジを備えたホイールです。ロック可能なプリンターの外にあるコンピューターを使い、三次元モデルからのデジタルデータに基づいてシリンジのピストンを制御します。懸濁液はシリンジのノズルから極めて高い精度で押し出され、下にある台が高速で往復する間に、積層方式で不規則な構造が作られます。この方法で関節軟骨や鼻軟骨などの構造を作ることができ、バイオプリンターならわずか16分で作製できます。
ケスティは、この方法が将来、再建手術にどのような変革をもたらす可能性があるかを説明します。重大な自動車事故で、乗客の鼻が粉砕されたとします。コンピューター上で鼻を3Dモデルとして再構築できます。同時に患者から生検を行い、例えば膝、指、耳、あるいは粉砕された鼻の破片から、自身の体の軟骨細胞を採取します。細胞を研究室で増殖させ、生体高分子と混ぜます。この歯磨き粉のような懸濁液から、バイオプリンターで鼻軟骨移植片を作製し、手術中に患者へ移植します。この過程で生体高分子は形を整える型として使われるだけで、その後、患者自身の軟骨細胞によって分解されます。数か月後には、移植片と患者自身の鼻軟骨を見分けることはできません。この処置には、シリコーン製などの従来型インプラントに比べて大きな利点があります。体がインプラントを拒絶するリスクがはるかに低いのです。若い患者にとって特に重要なのは、細胞移植片が患者とともに成長することです。他の身体部位と同様、患者の体内に備わる成長機構によって制御されるためです。
バイオインクに求められる厳しい要件
細胞プリンティングが今まさに医療に導入されつつある理由は数多くあります。「3Dプリンティングは約20年前から存在しています。それが外科目的でようやく注目され始めたのは、特にバイオインクが不足していたためです」と、ケスティの研究グループの教授兼責任者であるマーシー・ゼノビ＝ウォンは説明します。移植に用いる材料には極めて厳しい要件が課されているため、市販の細胞用プリンターカートリッジはまだ存在しません。臨床処置で使う材料はすべて、厳格な国際・国内ガイドラインの対象となり、病院で使用される前に何年もの試験を経る必要があります。その費用は数百万に達することもあります。そのため、ゼノビ＝ウォンと研究チームは、日常的な病院処置で広く使われており、すでになじみのある生体高分子を用いています。こうした生体高分子には、海藻から抽出され人体に受け入れられやすいアルギン酸や、人体で生成され軟骨組織の弾力性を担う高分子であるコンドロイチン硫酸が含まれます。
このような生体高分子は、ヒト細胞（研究室での使用では動物細胞）を加えてバイオプリンティング用に調製され、最大90パーセントの水分を含むハイドロゲルに加工されます。このバイオインクは、ゲルがシリンジのカニューレを詰まらせないよう適切な流動性を持つ必要がありますが、作製する物体の構造が実際に保たれるだけの粘性も必要です。ゲルの液状性が強すぎると、プリント中に層が溶け合ってしまいます。また、ゲル化の特性も考慮しなければなりません。医師が使える固体構造にするには、ゲルが一定の形状を保たなければならないからです。これは、光、温度、pH値の変化、またはイオンの添加によって開始するハイドロゲルの重合によって行われます。「ここでの調整の余地は非常に限られています」とゼノビ＝ウォンは説明します。「プリント工程で細胞を傷つけないよう、常に注意する必要があるからです。」そのため彼女は、細胞を損傷しない適切な生体高分子や重合方法を探す研究に多くの時間を費やしています。
第三の次元が示す方向
プリントされた軟骨移植片の初期の用途の一つは、膝や足首の関節損傷の治療になる可能性があります。スポーツでけがをした若年患者には、すでに軟骨移植が行われています。この処置では、患者自身の軟骨細胞を研究室でハイドロゲル膜上に培養します。膜の適切な部分を選び、損傷部位に縫い付けます。これは有望な方法ですが、理想的ではありません。研究室で細胞を二次元的に増殖させても、患者の関節が将来機能するうえで重要な空間情報が欠けているためです。その結果、細胞は軟骨組織ではなく、瘢痕状の組織を形成します。バイオプリンターでは細胞とその支持構造、いわゆる細胞マトリックスを同じ工程でプリントするため、将来の用途は最初から明確です。これにより細胞は本来の特徴を保ち、患者の体内で新たな軟骨を再生できるようになります。
バイオプリンターを用いた最初の移植は、早ければ今年中に羊やヤギで試験される予定です。ヒトを対象とする臨床試験を実施する前に、大型動物でこうした試験を行う必要があり、その後、病院で日常的に使用される道が開かれます。「しかし、将来バイオプリンターが病院に導入されるかどうかは、技術的な問題というより、医師、患者、保険会社がこの技術を受け入れるかどうかにかかっています」とゼノビ＝ウォンは述べます。そのため彼女の研究グループは、シュルテス・クリニックの医療従事者とすでに緊密に連携しています。
プリンターから心臓が？
2004年に初の国際バイオプリンティング・ワークショップが開催されて以来、この研究分野は継続的に拡大してきました。現在、臨床処置への応用可能性に取り組む研究グループは80を超え、臨床試験用の「プリントされた」細胞構造を提供する初の商業企業も、潤沢なベンチャーキャピタルの支援を受けて米国市場に参入しています。つまり、一部で予測されているように、プリントされ移植された軟骨に続いて、心臓や腎臓も間もなく実現するのでしょうか。ゼノビ＝ウォンはそう断言しません。「現在、バイオプリンティングをめぐる期待は非常に高まっていますが、私たちの研究は、今日すでに約束されているものを実現するにはほど遠いのです。」軟骨の作製は、すぐに血液と大量の酸素を供給しなければならない身体器官に比べれば比較的簡単です。心臓、肺、腎臓となると、器官に血液を供給するために何百もの毛細血管をプリントする必要があり、しかも長い間実現できそうにない精度と材料が求められます。軟骨とは異なり、こうした器官では、さまざまな細胞が一連の異なる機能を果たすために互いに情報をやり取りしなければなりません。「私たちの専門は軟骨で、バイオプリンティングに最も適した身体組織でしょう」とゼノビ＝ウォンは言います。「それでも、プリントが決して簡単ではないことは、今の私たちにも分かっています。」
この記事は、 ETHチューリッヒ との協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味するものではありません。
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著者：サミュエル・シュレーフリ氏はETHニュースに寄稿しています。
画像：Auroraの3DプリンターF1がフィギュアをプリントしている。REUTERS/Pichi Chuang。
