患者に合わせてバイオプリンタで作った軟骨移植片で、個別化医療を再定義するアルバータ大学(カナダ)の研究

バイオプリントによる自己鼻軟骨移植片に関する論文を共同執筆をした、アルバータ大学の博士課程に在籍するXiaoyi Lan氏

問題の特定

CELLINKのバイオプリンタ『INKREDIBLE+™』ととAdvanced BioMatrix (ABM)のI型コラーゲン『LifeInk® 200』を用いた、鼻軟骨の画期的なバイオプリント研究が、 Journal of Tissue Engineeringで発表されました。ここでは、アルバータ大学のAdesida研究室責任者である共著者のAdetola Adesida教授と博士課程5年生のXiaoyi Lanが、ヒト鼻軟骨細胞を3Dバイオプリントし、マウスモデルの皮下移植後も安定した移植片を作製した方法について述べています。

Adesida博士によると、皮膚がん患者の約40%が鼻の病変を発症するという。外科的に切除した後、患者の胸郭などから採取した移植片で患部の鼻軟骨を再建することは、なかなか難しい。2014年の研究では、バーゼル大学の研究者が、半透過性のブタI型およびIII型コラーゲン膜足場であるコンドロガイドを用いて自家軟骨移植を行い、移植することに成功しました(Fulco, 2014)。今年末に博士論文を提出するLan氏は、臨床的に承認されたコンドロガイド足場は、彼らの研究を設計する際に当然の対照となったが、彼女が考えていた3Dバイオプリンティングプロトコルは、手術結果をさらに改善することを目指したと述べています。

外科の教授でLan氏のアドバイザーでもあるAdesida博士は、3Dバイオプリントによる鼻軟骨移植は、手術室での作業を大幅に効率化することで競争優位をもたらすと確信しています。「足場材で作られた軟骨では、外科医は供給元の寸法に制限されます」と、外科医が手術室で切断して成形しなければならない長方形のコンドロガイド足場材には大きな欠点があると、彼は指摘します。

オーダーメイドのグラフトをデザイン

Adesidaラボの代表で、Lanさんの指導教官であるAdetola Adesida教授

しかし、バイオプリンティング戦略では、CELLINKのバイオ3Dプリンタ『INKREDIBLE+』が、CTスキャンを基にした解剖学的なコンストラクトの形成を可能にしたのです。このプロトコルを臨床に応用すれば、外科医が手術室で何時間もかけて彫らなくてもすむようになるかもしれません。Adesida博士の研究室では、自己細胞ベースの組織工学的戦略の開発に重点を置いており、再建外科医がカスタマイズした移植片を簡単に配置し、所定の位置に縫合して患者を退院させることを想定しています。

「動物でも人間でも、何でもいい」と、Adesida博士は言う。「コラーゲンは、生物が最も好む生体材料なのです」。Adesida博士の研究室では、この研究にABMのI型コラーゲン『LifeInk 200』を使用することを選択しました。Lan氏は、LifeInk 200は細胞-バイオマテリアル間の相互作用が大きく、ウシ由来のバイオインクとFreeform reversible embedding of suspended hydrogels(FRESH法)バイオプリンティングを組み合わせることにより、動物由来のハイドロゲルのプリント性を阻害する柔らかさを解決することができたと述べています。さらに、LifeInkバイオプリンティングモデルは、膜の透過側にのみ軟骨マトリックスが形成された対照のコンドロガイド足場人工移植片よりも、より均質な細胞外マトリックス(ECM)分布を示しました。

in vitro鼻軟骨コンストラクトの培養時間経過に伴う組織学的および生化学的解析

リモデリングはいらない

再建手術において、リモデリングは大きな懸念事項です。例えば、移植後数週間で鼻が曲がってしまうことがあります。これは、細胞が治癒中にECMをリモデリングするためです。したがって、Adesida博士は、3Dバイオプリント軟骨を移植する前に、7〜9週間in vitro成熟させる必要があると強調します。この時点で、軟骨は縫合に耐え、再形成に抵抗し、さらなるリモデリングを回避できるはずだからです。この有望な結果についてAdesida博士は、「時間とともに、バイオプリント軟骨移植片の機械的特性が向上した」と述べています。さらに、マウスモデルの皮下移植の5週間の観察期間を過ぎると、3Dバイオプリント軟骨が骨に変わる可能性は低くなり、患者は呼吸や鼻を曲げることができるようになりました。

次なるステップ

Adesida博士によれば、次のステップとして、生体外で3Dバイオプリントされた軟骨の成熟にかかる時間を短縮することによって、外科医や医療システムにとって3Dバイオプリントをより経済的に魅力あるものにすることが重要であるという。現在、コンドロガイドは培養に約4週間かかるのに対し、LifeInkは7〜9週間かかる。この差を縮めることができれば、臨床試験につなげられると期待している。「皮膚がん患者の再建に、バイオ3Dプリンタで作製した鼻軟骨を臨床的に使用している人はいません」と教授は指摘します。CELLINKとABMからの継続的な支援により、Adesida研究室はその最初の研究者になることを望んでいるのです。

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Lan, et al. J Tissue Eng. 2022. DOI:10.1177/20417314221086368. 

Lan, et al. FASEB J. 2021. DOI:10.1096/fj.202002081r. 

Fulco, et al. The Lancet. 2014. DOI:10.1016/s0140-6736(14)60544-4.