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ヒトの心臓を3D印刷で作成することに成功! 細胞を材料に心臓のはたらきを再現

2020.07.18 Saturday
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3D印刷技術によって作られた複雑な内部構造と電気的な同期を備えた最初の心臓/Credit:Circulation Research
point
  • これまで心臓を3D印刷するのは困難だった。
  • しかし最初に形だけを万能細胞で作って、後から全体を心筋細胞に分化する方法が開発された
  • 新たな技術で作られた心臓は電気的に同期しているだけでなく体液の循環も可能だった

人間の細胞とタンパク質をインクとして使った3D印刷によって、心臓が作られました。

印刷された心臓は本物と同じように4室を持つだけでなく、拍動し、液体を入口から出口に向けて流すことができました。

これは2心房・2心室をもつ心臓が3Dプリントによって作られ、正常に動作した最初の例です。

実はこれまで完璧な心臓を3Dプリントしようという試みは、ほとんどが失敗に終わっていました。

なぜなら、心筋細胞は分裂によって増えてくれない非増殖性の細胞であり、印刷後の心臓に十分な細胞密度を持たせられず、複雑な立体構造を作れないからです。

しかし今回、研究者たちの機転により新技術が開発され、十分な細胞密度を兼ね備えた心臓が誕生しました。

ちょっとした発想の転換

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3D印刷される過程を高速で流してみた。容器の内部で心筋細胞が積層して心臓になっていく様子がわかる/Credit:Circulation Research

万能細胞から作られた心筋細胞を使って、心臓を3D印刷しようとする試みは、長年に渡って続けられてきました。

しかし3D印刷では単純な袋状の構造物はつくれても、本物の心臓のように複雑な構造を持ち、同時に全体が電気的に同期して鼓動させることはできなかったのです。

ミネソタ大学のクファー氏をはじめとした研究チームも失敗を繰り返しており、心臓の3D印刷は不可能なのではないかと、諦めかけていました。

心臓を構成する心筋細胞は非増殖性の細胞であるために印刷後の位置で増えてくれず、いかに改良を重ねても、十分な心筋細胞の密度を達成できなかったからです。

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最初の位置決めと増殖は万能細胞であるうちに済ませて、あとからジワジワと心筋細胞に変化していく/Credit:Circulation Research

しかし、ふとあるアイディアが浮かびました。

心筋細胞で心臓を印刷できないならば、そもそも使わなければいい…。最初に心臓の形を作って後から分化させよう!」というものです。

具体的には上の図のように、3D印刷のインクに増殖性の高い万能細胞を使い、まずは心臓の機械的強度を維持するに十分な細胞数を確保します。その後、全体を心筋細胞に変化させるという方法を取りました。

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万能細胞を狙ったタイミングで心筋細胞に変化させるには変化因子の微妙な匙加減と調整が必要だった/Credit:Circulation Research

しかしそのためには、インクに使う万能細胞にちょっとした工夫をする必要がありました。

それがなければ、できあがるものは心臓の形をしただけの、ただの万能細胞の塊です。

クファー氏が行った工夫とは、万能細胞を心筋細胞に変化させるのに何度も使ってきた変化因子(心臓の細胞外タンパク質)の量を調節することでした。

変化因子を絶妙な加減で加えることで、万能細胞としての増殖性をもったままの状態で印刷し、十分細胞数が増えた後、ジワジワと心筋細胞に変化する…といった、まるでタイマーがついてるかのような調節が可能になったのです。

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