10月 8, 2021

光あれ！Lumen Xによるバイオプリンティング能力の再定義

生体内の細胞環境をよりよく再現することで、2次元の細胞培養から3次元への移行は、組織工学を含む多くの研究分野で科学的進歩の連鎖反応を引き起こしました。組織工学研究者はすぐにバイオ3Dプリンタを採用し、より生理的に適切な空間配置で細胞を押し出すことに成功しました。押し出されたフィラメントは革新的でしたが、人間の臓器サイズに拡大したとき、肺などの臓器の複雑な血管構造を再現するのに必要な高い分解能を可能にしたのは、光造形式バイオプリンタ「Lumen X」 でした。

形状は機能に従うもの

生物学では、タンパク質の立体構造から器官の構造、生物の全体的な形態に至るまで、すべてがその機能の進化的帰結であるとされています。今日の高度なイメージング技術と臓器の形態に関するかつてないほどの理解を得て、組織工学研究者は機能が形状に従うかどうかを研究しています。科学技術を駆使して生体組織の形状や構造に近づけることができれば、人工造形物は元の組織と同じように機能するのでしょうか？

15mLの円錐チューブの中に何十億という細胞を培養して収めることはできても、それを生かし続けることは依然として課題です。土木技術者が街の道路を設計するのを忘れたら、食料品を持ち帰ったり、ゴミを捨てるのが難しくなるのと同じことです。栄養素や酸素へのアクセス、老廃物の除去などができなくなると、細胞は死に始めます。生体内のヒトの肺では、マルチスケールの血管系が栄養素を輸送し、細胞によって生成された老廃物を取り除き、細胞の生命維持に努めています。この血管系は、体内において、街の道路に相当するものと考えてください。組織工学研究者は、バイオプリンティング組織を実現するために、これらを再現する必要があります。プリントヘッドを交換できる汎用性を持ち、さまざまな材料に対応できる押出方式のバイオプリンタ「BIO X6™」もその一つです。犠牲バイオマテリアルを組み込むことにより、BIO X6を使用して管状構造の中空空洞を作製することも可能です。

新しい光を当てる

Lumen Xはさらに、光束（Lumen）を使って血管内腔（Lumen)を作り、より複雑な血管構造を作り上げることができます。光造形式バイオプリンタの可視光線を、感光性液体（PhotoInk™）に照射すると、局所的な化学反応が起こります。光の各点はピクセルを表し、少量の液体を固体に変換することができます。重合用のハイドロゲルにイメージを投影し、一層ずつ重ねることで、一度に数百万点の光を照射し、非常に複雑な構造を実現します。

人間の肺の血管系が分岐するにつれ、気道と血管が小さくなり、互いに近づきますが、接触することはありません。肺の機能モデルは、血管へのガスの拡散を可能にするためにその近接性を実現する必要があります。研究者は、これらの血管が流動的に接続することを望まないため、ある血管網から別の血管網への栄養素の拡散輸送を可能にする、絡み合った血管の形態を設計する必要があります。

Rice大学のJordan Miller博士の研究室では、バイオインクの重合量を制御するために、青色光の生体適合性光吸収剤に黄色の食品安全添加剤を混合し、透明なハイドロゲルに色を付けようとしました。適切な濃度では、黄色の添加剤がz軸に沿った有効重合範囲を制限し、研究者が血管の中空を微調整できるようにします。

今後の方向性

研究者たちは、ハイドロゲルと光造形式バイオプリンティングで、可能なことの限界を押し広げようとしています。より効率的な拡散を可能にするために、血管の直径を小さくし、血管間の距離を狭くすることに積極的に取り組んでいます。これらの複雑な形態を作製することは、わずか5年前には考えられませんでしたが、現在はLumen Xを使用して作製することが可能です。このような高度な技術を武器に、研究者は今後数年間で飛躍的な進歩を遂げることが期待されています。10％でも機能が得られるバイオプリント臓器の実現を目指しています。完全な臓器不全を患っている人にとって、10%の機能は命を救う手段になる可能性があります。