3Dプリントとエレクトロスピニングの助けを借りて、Anthony Atalaが率いるWake Forest Institute for Regenerative Medicineの生物工学チームは、患者のために実行可能な組織と器官を成長させています。 これらの3D印刷された臓器の多くは研究段階にとどまっていますが、一部は1〜2年以内に臨床検査の準備ができているはずです。
25年以上にわたり、Atalaは研究室で組織細胞の生成に取り組んできました。 指や耳から腎臓や心臓まで、彼のチームは40種類の臓器や組織構造を作り出すことができます。

エレクトロスピニングとは何ですか？

これらの手順は、生物工学者が再現しようとしている領域から患者の細胞の小さなサンプルを採取することから始まります。 例えば、皮膚のために、彼らは切手と同じくらいの大きさの移植片だけを必要とする。 その後、バイオリアクター内で、それらは器官を成長させるのに十分なまでそれらの細胞を複製する。

3Dバイオプリンタは、カラー3Dプリンタが異なるタイプのポリマーを堆積させる方法で、異なるタイプのセルを堆積させます。 写真: ウェイクフォレスト

次のステップは、細胞が形成される細胞外マトリックス、または足場を構築することです。 その後、チームは、細胞が特定の方法で発達するように促す成長促進剤および生化学物質をマトリックスに播種する。 マトリックスはまた細胞の開発を形づける機械力を提供する。
皮膚や血管のような構造を作るために、研究室では、綿菓子に砂糖を回転させるために使用される機械に似た3D印刷技術であるelectrospinningを使用しています。
バイオエンジニアは、この技術を使用して、ハイドロゲルポリマーを高速で回転させ、ポリマーを繊維の長い鎖に延長させる。 彼らはその後、マシンの中央に薄い棒を置きます。 ハイドロゲル繊維は、ふわふわした綿菓子が紙コーンに付着するのと同じようにロッドに付着する。 科学者たちは、彼らが作成している構造を模倣してきたまで、電圧を変化させることにより、スポンジポリマーの形状を操作します。
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研究者は、所望の形状を達成すると、彼らは自然の構造に一致するように繰り返し、それを積層し、マトリックス上にバイオリアクターから細胞を噴霧します。 例えば、皮膚を再作成するために、皮下層から細胞を塗布し、次に真皮および表皮からの細胞を塗布することから始めるだろう。
マトリックス上に層状になると、構造は人体の状態を模倣するインキュベーターに配置されます。 そこでは、マトリックス、生化学、および細胞のこの組み合わせは、マトリックスをガイドとして使用して、独自の生活を取るために開始されます。
この技術は、皮膚や血管のようなシンプルで軽量な構造には最適ですが、心臓のような立体的な構造を作成する精度と能力が欠けています。

固体臓器を印刷するには？ 固体臓器を作成するには、研究者は、臓器内のすべての細胞が酸素と栄養素を受け取り、それが無駄を排除することができるように、血管の成長を促進 大きな動脈から最も小さな血管に分岐するこれらの血管の木を作成することは、何十年もの間研究者を困惑させてきました。 しかし、Atalaのチームはいくつかの潜在的な解決策を開発しました。

セルを印刷するために設計されたいくつかの3Dプリンタの一つ。 写真：ウェイクフォレスト

最初の解決策は、肝臓などの既存のドナー器官から始まります。 まず、ウェイクフォレストバイオエンジニアは、約二週間のための穏やかな洗剤で、多くの洗濯機のように、シェーカーにそれを置きます。
“シェーカーを通過した後、あなたは臓器を保持することができ、それは臓器のように見えるだろうが、それは細胞を持っていないだろう”とAtalaは言った。 「本質的に、私たちは臓器の骨格を保存していました。”
この骨格は、体内の結合組織とその細胞外マトリックスに見られるタンパク質であるコラーゲンでできています。 Electrospunのマトリックスのように、コラーゲンのマトリックスは構造を提供し、機械力の細胞は器官関連の機能で分け、取る必要があります。 臓器骨格は、その後、人間の肝臓の機能の多くとの生活に戻ってそれをもたらす、臓器を再移入し、患者の肝細胞に堆積されます。
この方法は有望ですが、それはまだ働くドナー臓器を待つことを意味します。 3D印刷は、その周りの方法を提供することができます。 この方法は、臓器自体のより多くの理解を取りますが、ドナー臓器を待っているから患者を解放することを約束します。
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“心臓のような器官では、最初から始めない限り見ることができないほど多くのことが 「私たちは、可能な限りあらゆる方法で臓器の機能を再現できるように、360度の視点から構造を見ています。”
それを行うための一つの方法は、臓器を構築し、ビルドから学ぶことです。 そのために、アタラと彼のチームは、固体の臓器を構築する複雑なプロセスを実行するためにダース以上のプリンタを設計しました。 プリンターはカラーインクジェットプリンタのように動作しますが、インクの代わりに、そのカートリッジにはタイプによ
開始するには、バイオプリンタは、患者と臓器の情報、構築するものの青写真をロードされます。 ノズルのシステムを通して、プリンターは厚いゲルとして細胞の層を沈殿させる。 これはゆっくりそれの中で埋め込まれる細胞の生命を維持している間器官の構造を発生させます。
チームはまだエンジニアリングのこの地形の形を習得しているが、3Dプリントは、研究者に詳細を動作する機会を与えます。 試行錯誤を通じて、彼らは正常に複雑な臓器内の最も小さい血管を堆積させるためにプリンタをプログラミングされています。

3Dバイオプリントは臓器移植の未来ですか？

チームが使用しているこれらの技術のどれに関係なく、患者の健康な代替品を構築するのに約四から六週間かかります。 置換組織や臓器は患者自身の細胞から作られているため、拒絶反応の可能性はほとんどありません—患者はこれまで以上に迅速に治癒し、免疫系が移植を攻撃しないようにするために薬を服用する必要はありません。
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“患者自身の細胞でこれらの構造を作成し、実際に適応して癒すことができるようにすることは、私たちの希望です”とAtala氏は述べている。 “できる限り多くの患者に手を差し伸べることができるようにしたいと考えています。”
アタラは、皮膚や血管のようなより単純化された構造は、すでに成功した人間の試験を持っていたし、数年以内に診療所になると言います。 固体器官ははるかに時間がかかります。
それはAtalaのための顕著な旅となっており、彼の進歩は成功したヒト細胞組織生成のための基礎と知識ベースを築いてきました。
Cassie Kellyはオハイオ州コロンバスに拠点を置くエンジニアリングと環境ライターです。
AM Medicalのために今日登録:May27-28,2020In Minneapolis,MN