超小型ロボットによる体内の3D印刷は胃潰瘍を処置できる
胃潰瘍やその他の胃の傷は、世界で8人に1人が苦しんでいるが、一般的な従来の治療法には欠点がある。現在、科学者たちは、3Dプリントの新境地を開拓することで、このような問題を治療することを目指している。
3Dプリンターが構造物を作るために材料の層を敷き詰めていくのと同じように、バイオプリンターは組織や臓器を作るために生きた細胞を押し出していく。このコンセプトの長期的な夢は、非営利団体「United Network for Organ Sharing」によると、米国だけでも7万人近くの人が臓器提供を待っているが、いつの日かバイオプリント臓器を手に入れることができるようになることだ。この方法で機能的な心臓や腎臓を製造する能力は数年先になりそうだが、現実的な近未来の目標は、骨移植片のようなより単純な構造物をバイオプリントすることだ。しかし、生体組織を体外にプリントするには、やはり移植手術が必要になる。
その代わりに、医師が直接体の中に細胞をプリントすることができるとしたらどうだろうか。そのアイデアは、現在の低侵襲手術技術を用いて、小さな切開部から患者の体内に3D印刷ツールを挿入し、新しい組織を敷き詰めるというものである。このような「in vivo バイオプリンティング」の潜在的な応用例としては、ヘルニアの修復に役立つ外科用メッシュや、不妊症の改善に役立つ卵巣用パッチなどがあるかもしれない。
これまでの生体内バイオプリンティングの研究の多くは、体の外側にある皮膚や他の組織の治療に焦点を当ててきたが、その理由は、通常、必要な装置が大きすぎて、大掛かりな手術をせずに消化管や他の中心部にある臓器にアクセスすることができないからだ。胃の病変をより侵襲的に治療するために、中国の科学者たちは、比較的簡単に人体に入ることができる小型のバイオプリンティングロボットを開発したいと考えていた。研究者たちは、機械的なミツバチやゴキブリに触発されたロボットなど、器用な電子デバイスを作成するための既存の技術を使用したと、北京の清華大学の生物工学者である研究の上級著者Tao Xuは言う。
できあがったマイクロロボットは、クレジットカードの半分以下の幅のわずか30ミリで、43ミリの長さに折りたたむことができる。患者の体内に入ると、長さが59ミリになり、バイオプリントを開始することができる。「チームは、体内に入るときにシステムをコンパクトにする巧妙なメカニズムを構築しているが、エントリでタイトな収縮を過ぎれば、大規模な作業領域を提供するために展開する」とDavid Hoelzle、研究に参加していないオハイオ州立大学の機械エンジニアは言う。
実験では、中国の研究者はマイクロロボットを内視鏡（身体の開口部から挿入できる長いチューブ）に取り付け、湾曲したパイプを通って胃の透明なプラスチックモデルに首尾よく蛇行させた。そこで彼らはそれを使って、ヒトの胃の内膜と胃の筋肉細胞（商業研究所で培養したもの）を入れたゲルを実験用の皿に印刷した。印刷された細胞は生存可能なままで、10日間にわたって着実に増殖した。この研究は、マイクロロボットとバイオプリンティングを組み合わせた初めての試みだった。
研究者らによると、主流の胃病変の治療法には、効き目が遅く、常に効果があるとは限らない薬、比較的小さな傷を治すことしかできない内視鏡手術、出血を抑えることはできるが、より大きな傷を完全に治すにはほとんど役に立たない内視鏡手術などがあるという。生体内でのバイオプリンティングに期待されているのは、最終的には、胃の病変部に修復可能な生きた構造物を貼り付けることで、これらの方法を改善できるかもしれないということだ、とXuは言う。
今後の研究では、マイクロロボットの幅を12mmに縮小し、カメラやその他のセンサーを搭載して、より複雑な操作を行うのに役立つようにすることができるだろう、と徐氏は付け加えた。清華大学のWenxiang Zhao教授と共同研究の筆頭著者は、この夏、Biofabrication誌にその成果を詳しく掲載した。
Xuらは、バイオプリンティングの「インク」として使用したゲルは、比較的低温のときにのみ安定であったことに注目している。通常の体温では、構造をうまく形成するにはあまりにも液体であった。さらに、研究者らがゲルを固めるために加えた塩化カルシウム溶液は、人体にダメージを与える可能性があった。しかし、Hoelzle研究員らが最近、独自に開発した別のゲルは、体温でも形状を保持でき、可視光を使って固めることができることを示したため、これらの問題に対処できる可能性がある。
バイオプリンティングの課題の1つは、印刷された細胞を既存の柔らかい臓器や組織に効果的に接着する方法である。Hoelzleと彼の同僚たちは、生の鶏胸肉のストリップを含む、テクスチャ的に類似した材料でパンクを「治癒」しようとすることによって、潜在的な解決策をテストした。最初に、3Dプリンタのノズルは、バイオインクの小さなつまみを穿刺部に押し出し、穿刺された組織をバイオプリント構造に接続することができるアンカーを作成した。その後、ゆっくりとノズルを引き抜き、組織の外側にさらに細胞を配置するために使用できる材料のストランドを残した。
Hoelzleは、この技術が複雑な臓器を印刷できるようになることはないだろうと示唆している。その代わり、治癒を促進したり感染を防ぐための薬剤を放出したりすることができる比較的控えめな印刷構造を用いて、標準的な手術を補強することで有用性があることが証明されるかもしれない。「組織工学材料には、今のところ考慮されていない多くの機会がありますが、材料を届けるために患者を切開したいと思う人はいないでしょうから」とHoelzleは言う。
参考文献
- Wenxiang Zhao and Tao Xu. Preliminary engineering for in situ in vivo bioprinting: a novel micro bioprinting platform for in situ in vivo bioprinting at a gastric wound site. Biofabrication. 12 August 2020.
- A Asghari Adib et al. Direct-write 3D printing and characterization of a GelMA-based biomaterial for intracorporeal tissue engineering. Biofabrication. 12 July 2020.
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