このブログの翻訳にあたりまして、
2022年度iGEMチームWaseda_Tokyoの中村春香にご協力いただきました
ありがとうございます。
バイオプリンティングとは？
3Dプリンティングという言葉を聞いたことがありますか？ ここで、プラスチックの代わりに、生体材料を用いて臓器や組織をプリントすることを想像してみてください。まるで映画の中の未来的な研究室のシーンのように聞こえますが、これはかなり以前からある技術なのです。
1984年、Charles Hullという人物が、デジタルデータから3Dオブジェクトを印刷するための立体リソグラフィ（STL）を発明しました[1]。STLは、光化学プロセスを用いて1層ずつ積み重ねた3次元構造体を作成するシステムです［2]。この発明は、3Dプリンティングの誕生を象徴するものと言われています。それ以来、in vitroモデルは、単純な2次元構造から、オルガノイド（臓器のミニチュア版）、マイクロティッシュ、動的培養システムなど、より高度な3次元構造へと発展してきました[3]。チャールズ・ハルの発明から4年後、細胞を2次元パターンに微小配置することで最初のバイオプリントが実証されました。今日、バイオプリント技術は、さまざまな組織、臓器、疾患のモデル化に主に使用されています[3]。これにより、研究者や医師は、実際の組織や臓器、材料と細胞間の相互作用をシミュレートできるモデルを入手することができ、研究が容易に行うことができます。
バイオプリントの方法
バイオプリントとは何か、そしてなぜこの技術が医学の分野、さらには他の科学の分野でも画期的な技術であるのかが分かったところで、さらに詳しく見ていきましょう。バイオプリンティングはどのように機能するのでしょうか？また、バイオプリントはどのように行うのでしょうか？
4つの方法
まず、バイオプリントに使われる材料はバイオインクと呼ばれます。バイオインクは、ハイドロゲルと呼ばれる支持体に囲まれた細胞から構成されています[4]。このバイオインクを用いて、細胞が増殖、分裂、移動できる3次元構造体を形成します。
次に、バイオプリントに用いられる4つの異なる方法があります[5]。エクストルージョン法、インクジェット法、リソグラフィー法、セルスフェロイド法である。エクストルージョンバイオプリンティングは，最も一般的で利用しやすい方法です．この方法は、ノズルから圧力でバイオインクを押し出し、ユーザーがデザインしたフィラメントを印刷するものです。インクジェットプリンターは、押し出しプリンターとよく似ていますが、バイオインクが連続的な流れではなく、液滴の形で付着する点が大きく異なっています。
リソグラフィー法は、細胞入りのハイドロゲル樹脂を光でパターン化し、3次元構造を作る方法です。この方法は、押し出し法よりも高い解像度が得られます。最後のCell spheroid-based bioprintingは、バイオアセンブリとも呼ばれ、細胞凝集体を細胞密度の高い3次元構造体、あるいはオルガノイドを含む構造体に正確に組み上げる方法です。
3つのアプローチ
最後に，バイオプリントの対象物を設計する際には，バイオミミクリー，ミニ組織ビルディングブロック，自律的自己組織化の3つのアプローチを検討する必要があります[6]．バイオミミックリーとは，人間の複雑な問題を解決するために，自然からインスピレーションを得るという概念であり、、バイオミミクリーをバイオプリンティングに応用する場合，組織や臓器の細胞・細胞外構成要素を同一に再現して製造することになる．血管の分岐パターンのような組織や臓器の小さな部分でも、臓器全体でも複製することができます。
自律的自己組織化も自然を模倣したアプローチですが、この場合は生体組織を特異的に複製します。この方法では、生体システムを設計する際に、胚性臓器の発生をガイドとして使用しています。しかし、この技術には、胚組織の発生メカニズムに関する深い知識と、バイオプリントされた組織で胚のメカニズムを駆動するために細胞の環境を操作する方法が必要です。
ミニ組織は、組織や器官を構成する最小の機能部品と定義することができます。この概念は、自己組織化、合理的設計、またはその両方の組み合わせによって、ミニ組織を作製し、より大きな機能的な部分に組み立てることができるため、上記の2つの戦略に関連することができるのです。 機能的、機械的、構造的特性を備えた複雑な三次元生体構造をプリントするためには、上記の戦略のすべてが必要であると考えられています。さらに、バイオプリンティングプロセスの重要なステップとして、イメージングとデザイン、適切な材料と細胞の選択、そして最終的に組織構築物の印刷があります。組織が構築されると、移植することができます。場合によっては、移植の前に体外環境で成熟させることもできるのです。また、体外での検査や解析のために保存することも可能になります。
想定される用途
移植が可能な再生医療および組織工学[7]。
バイオプリンティングというと、心臓や肺、腎臓、そして眼球などを印刷することをすぐに思い浮かべるでしょう。しかし、機能的な臓器を印刷することは困難な作業です。しかし、血管や軟骨など、血管系を必要としない組織であれば、すでに優れた成功例となっています。
心臓弁の作成も組織工学の重要な応用となります。損傷した心臓弁は再生能力がないため、機械的または生物学的な代用品で置き換える必要があるためです。バイオプリンティングは、例えば大動脈瘤に対処するために、解剖学的に正確な形状の大動脈弁を作製するのに有効な方法です。
しかし、機械的に安定した三次元構造を血管系につなげるまでには、まだ多くの研究が必要です。同じような観点から、開いた傷口に幹細胞を直接付着させて表皮層を再生させる実験が行われ、これも成功に至りました。
例えば、BIOLIFE4D[8]は、患者自身の白血球を人工多能性幹細胞に再プログラムし、このiPS細胞を個々の心臓部品のバイオプリントに必要な異なる種類の心臓細胞に分化させることにより、ミニチュアヒト心臓のバイオプリントを実現しました。
医薬品分野での研究
3Dプリントされたヒト組織モデルは、薬物スクリーニング研究だけでなく、薬物送達研究のための足場として使用することもできます。3Dバイオプリントで作られた組織モデルは、ネイティブな組織を忠実に模倣し、マイクロネットワークでの作製によりハイスループットに作成できるため、ドラッグデザインにおける幅広い分子の有効性をテストするために使用することができます。
組織のサイズや微細構造を制御できることに加え、バイオプリント組織は大量に製造し、同時に培養することができ、クロスコンタミネーションのリスクもほとんどありません。実際、直接的な応用例として、バイオプリントされた肝臓モデルを用いて薬物代謝を試験することが可能になっています。
より大きな意味での研究
がんの場合を考えてみましょう。2次元の腫瘍モデルは、隣接する細胞や基質との3次元的な相互作用がないため、生理的に適切な環境を表現することができません。そこで、バイオプリンティングは、細胞の相互作用を3次元で理解し、臨床的に適切な観察を行う手段を提供します。 さらに大きなことを言えば、ほぼ完璧に模倣した皮膚組織を印刷することができれば、化粧品などの様々な分野で、販売前の製品テストに役立つ可能性もあるのです。
利点と限界
最新のテクノロジーは、常に未来的で革新的であり、いくつかの利点があるように聞こえますが、それなりの欠点もあります。
確かに、移植を待つ何十万人もの患者さんや、組織修復のためのこの可能な解決策は、現在の不足に対して革命を起こすでしょう。この方法は、起こりうる細胞拒絶反応を防ぐことさえできるでしょう。また、動物実験を減らすことができるため、人間にとってだけでなく、研究への重要な科学的動員を生み出すことは言うまでもありません。
しかし、まだまだ道は遠いのです。この技術には非常に高いコストがかかり、保険適用も非常に低いままであるため、利用しにくくなってしまっています。また、試験段階であるため、患者への望ましくない影響を予測することは困難です。しかし、バイオプリンティングは、人体やその構成要素の非常に複雑な機能を模倣しようとする、非常に精密で緻密な科学であり、これは容易なことではありません。
バイオプリンティングの将来
現在、バイオプリンティングはまだ研究段階です。このコンセプトにはいくつかのグレーゾーンがあるものの、より良い未来に向けた有望かつ革命的な解決策になりうることに変わりはなく、この大規模なチャレンジに手を取り合って取り組む研究者や専門家に新しい展望を提供しています。4Dプリンティングへの素晴らしい一歩ともなるのでしょうか。
参考文献
[1] Zeming Gu, Jianzhong Fu, Hui Lin, Yong He, 2020 https://doi.org/10.1016/j.ajps.2019.11.003
[2] Charles W. Hull, 1986 US4575330A – Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography – Google Patents
[3] Yi Xiang, Kathleen Miller, Jiaao Guan, Wisarut Kiratitanaporn, Min Tang & Shaochen Chen, 2022 https://doi.org/10.1007/s00204-021-03212-y
[4] Immuno Diagnostic, 2020 Bioprinting – the future of research: how to get started – Immuno Diagnostic
[5] Andrew C.Daly, Margaret E.Prendergast, Alex J.Hughes, Jason A.Burdick, 2021 https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.12.002
[6] Sean V Murphy & Anthony Atala, 2014 https://doi.org/10.1038/nbt.2958
[7] Madhuri Dey & Ibrahim T. Ozbolat, 2020 https://www.nature.com/articles/s41598-020-70086-y
[8] BIOLIFE4D, 2022 https://biolife4d.com/about/
