この新しいイノベーションにより、科学者は、血液、空気、リンパ液、その他の重要な液体のための身体の自然の通路を真似た、絶妙に絡み合った血管ネットワークを作成できます。 その中には、気道が周囲の血管に酸素を供給する、肺を模倣した気嚢のハイドロゲルモデルという、視覚的に見事な原理実証も含まれています。 また、肝細胞を含むバイオプリント構造体をマウスに移植する実験も報告されています。
この研究は、ライス大学の生物工学者Jordan Millerとワシントン大学（UW）のKelly Stevensが主導し、ライス、UW、デューク大学、ローワン大学およびマサチューセッツ州のサマーヴィルの設計会社Nervous Systemから15人の協力者が参加しています。
「機能的な代替組織を生成するための最大の障害の 1 つは、人口密度の高い組織に栄養を供給できる複雑な血管系を印刷できないことでした」と、ライス大学ブラウン工学部の生物工学助教授であるミラー氏は語ります。 「さらに、私たちの臓器は、肺の気道と血管、肝臓の胆管と血管のように、実際には独立した血管網を有しています。 これらの相互侵入するネットワークは、物理的にも生化学的にも絡み合っており、その構造自体が組織の機能と密接に関係しているのです。 私たちの技術は、多血管形成の課題に直接的かつ包括的に取り組む最初のバイオプリンティング技術です」
UW College of Engineeringの生物工学助教授、UW School of Medicineの病理学助教授、UW Medicine Institute for Stem Cell and Regenerative Medicineの研究者であるStevensは、形態と機能はしばしば密接に関連しているので多血管形成は重要だと述べています。
「組織工学は、一世代にわたってこの問題に取り組んできました」と、スティーブンス氏は言います。 この研究により、私たちは、「私たちの体内の健康な組織と同じように見え、今では呼吸さえする組織を印刷することができれば、機能的にもそれらの組織と同じように動作するのだろうか」ということをよりよく問うことができるようになりました。 なぜなら、バイオプリントされた組織がどれだけうまく機能するかは、治療法としてどれだけ成功するかに影響するからです」
健康で機能的な臓器をバイオプリントするという目標は、臓器移植の必要性によって推進されています。 米国だけでも10万人以上の人々が移植待ちリストに載っており、最終的にドナー臓器を受け取った人々も、臓器拒絶反応を防ぐために免疫抑制剤を一生飲み続けなければならない。 バイオプリンティングは、医師が患者自身の細胞から代替臓器を印刷することで、理論的にはこの2つの問題を解決できるため、過去10年にわたり強い関心を集めてきた。
「私たちは、バイオプリントが今後20年以内に医学の主要な構成要素になることを想定しています」とミラー教授は述べています。 「肝臓の複雑さは、それが故障したときにその機能をすべて代替できる機械や治療法が今のところ存在しないことを意味します。 この課題に取り組むため、研究チームは、「組織工学用立体リソグラフィ装置」（SLATE）と呼ばれる新しいオープンソースのバイオプリンティング技術を開発しました。 このシステムは、アディティブ マニュファクチャリングを使用して、柔らかいハイドロゲルを一度に1層ずつ作ります。
層の印刷は、青い光にさらされると固体になる、液体のプレヒドロゲル溶液から行われます。 デジタル光処理プロジェクターで下から光を当てると、10～50ミクロンの画素サイズで、高解像度で構造の2次元スライスが順次表示される。 各層が順番に固まると、頭上のアームが成長中の3Dゲルを持ち上げて、プロジェクターから次の画像を照射するのに必要なだけの液体を露出させます。 ミラー氏と、ライス大学の大学院生でこの研究の主席共同研究者であるバグラット グリゴリアン氏による重要な洞察は、青い光を吸収する食用色素を加えたことであった。 この光吸収剤が、固化を非常に微細な層に閉じ込めるのです。 このようにして、このシステムは、複雑な内部構造を持つ、柔らかくて水性の生体適合性ゲルを数分で作ることができます。
肺を模倣した構造のテストでは、組織が、血流および脈動「呼吸」（人間の呼吸の圧力と周波数を模したリズミカルな空気の取り入れと吐き出し）の際に破裂しないほど頑丈であることを示しました。 赤血球は、「呼吸」している気嚢を取り囲む血管網を流れながら酸素を取り込むことができることが実験でわかった。 この酸素の動きは、肺の肺胞気嚢で起こるガス交換に似ています。
サイエンスの表紙に掲載された、この研究で最も複雑な肺を模倣した構造を設計するために、ミラーは、研究の共著者でナーバスシステムの共同創設者のジェシカ・ローゼンクランツとジェームズ・ルイス-ローゼンバーグと共同で研究を行いました。 「肝疾患の治療用インプラントのテストでは、研究チームは、組織を3Dプリントし、プライマリ肝細胞を載せて、マウスに移植しました。 組織は血管と肝細胞のための別々のコンパートメントを持ち、慢性肝損傷を負ったマウスに移植された。 3445>
Miller氏によれば、この新しいバイオプリンティングシステムは、液体が一方向にしか流れない二尖弁のような血管内の特徴も作り出すことができるそうです。 ヒトでは、血管内弁は、心臓、脚の静脈、および流れを駆動するポンプを持たないリンパ系のような補足的ネットワークに見られます。
「多血管および血管内構造の追加により、生体組織を工学的に設計するための広範な自由がもたらされました」と Miller は述べています。 「私たちは今、体内で見られる複雑な構造の多くを構築する自由を持っています」
Miller と Grigoryan は、Volumetric というヒューストンの新興企業を通じて、研究の主要な側面を商業化しようとしています。 グリゴリヤンが常勤しているこの会社は、バイオプリンターとバイオインクの設計と製造を行っています。
Miller は、オープンソースの 3D プリントの長年の支持者で、公開されたサイエンスの研究における実験のすべてのソース データは自由に利用できると述べています。 さらに、ステレオリソグラフィ印刷装置を構築するために必要なすべての 3D 印刷可能ファイルが利用可能であり、研究で使用された各ヒドロゲルを印刷するためのデザイン ファイルも利用可能です。
ミラー氏は、研究室ではすでに、新しい設計とバイオプリンティング技術を使用して、さらに複雑な構造を探求していると述べています。 「3445>
さらなる研究の共著者には、ライス大学のサマンサ・ポールセン、ダニエル・セイザー、アレクサンダー・ザイタ、ポール・グリーンフィールド、ニコラス・カラファット、アンダーソン・タ、米国大学のダニエル・コーベット、チェルシー・フォルティン、フレドリック・ヨハンセン、デューク大学のジョン・ガウンリー、アマンダ・ランドルズ、ローワン大学のピーター・ガリィが含まれています。
この研究は、Robert J. Kleberg, Jr.とHelen C. Kleberg Foundation、John H. Tietze Foundation、National Science Foundation (1728239, 1450681 and 1250104)、National Institutes of Health (F31HL134295, DP2HL137188, T32EB001650, T32GM095421 and DP5OD019876) and the Gulf Coast Consortia.
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