3Dプリント皮膚でブタのキズ治癒

December, 5, 2023, Obersulm--皮膚は身体の最大の臓器であり、感染から保護する防水防御システムである。気温が急上昇しても涼しく保つ汗腺が詰まっている。日焼け、引っかき傷や擦り傷、食用油の飛び散り、その他の日常生活での事故など、深刻な打撃を受ける可能性があるが、急速に再生する。確かに、永続的に残る傷跡があるかもしれないが、損傷が比較的小さい場合は、最終的に消える。

これらの恩恵を考えると、研究者が実験室で皮膚を再現しようとしたのも当然と言える。たとえば、人工皮膚はロボットや人工器具を覆って、温度を「感じ」たり、触れたり、損傷したときに治癒したりする機能を与えることができる。

控えめに言っても、すべての皮膚の強大な力を再現するのは難しい。とはいえ、ウェイクフォレスト大学（Wake Forest University）のチームは、マウスやブタに移植すると大きな傷を癒す人工皮膚に向けて大きな一歩を踏み出した。

チームは、6つの異なるヒト皮膚細胞タイプを「インク」として使用して、3層の人工皮膚をプリントした。以前のバージョンとは異なり、この人工皮膚は人間の皮膚の構造を厳密に模倣している。

概念実証研究では、チームは皮膚に損傷のあるマウスとブタに皮膚を移植した。皮膚移植片は周囲の皮膚から血管に急速に侵入し、宿主に統合された。また、傷口の治癒や瘢痕化の軽減に不可欠なタンパク質であるコラーゲンを、自然な皮膚に似た構造に形作ることにも役立った。

「これらの結果は、完全な厚さの人間の生物工学によって作られた皮膚の実現が可能であり、より迅速な治癒とより自然に現れる結果を促進することを示している」と研究著者、Dr. Anthony Atalaはコメントしている。

全層皮膚とは何か?
われわれは、体を包むボックスシーツのようなイメージを皮膚に持つ。しかし、顕微鏡下では、それはバイオアーキテクチャの複雑な傑作である。

あるいは、それを3層のケーキと考えたい。

各層には、その特徴的な機能に合わせて調整された異なる細胞タイプがある。最上層はガーディアン（保護層）。外の世界に直接リンクし、紫外線、乾燥した気候、有害なバクテリアに耐えることができる細胞タイプである。また、色素沈着を引き起こす細胞を収容している。これらの細胞は、損傷を受けると継続的に脱落し、バリアを強力に保つために置き換えられる。

中間層はブリッジである。ここでは、血管と神経線維が皮膚を体の他の部分に接続している。この層には、体毛、汗、潤滑油を生成する細胞が詰め込まれており、にきびを起こしやすい人の悩みの種である。最も広い層として、それはコラーゲンによってしっかりと保持され、肌に柔軟性と強度を与えている。

最後に、最も深い皮膚層は「ふわふわしたコート」。主にコラーゲンと脂肪細胞で作られたこの層は、皮膚を怪我から保護し、体温を維持するのに役立つ衝撃吸収材である。

これらすべての構造と機能を再現することは非常に難しい。Atalaのソリューションは、3Dバイオプリンティングである。

ゲーム内の皮膚
Atalaはバイオプリンティングに精通している。

2016年、チームは、あらゆる形状の大きな組織をプリントできる組織臓器プリンターを開発した。臨床データを使用して、チームはさまざまな骨構造や筋肉をプリントする際にプリンターをガイドするコンピュータモデルを作成した。数年後、最上層または中間層のいずれかの細胞タイプを使用して、損傷した皮膚に直接パッチを当てる皮膚バイオプリンターを設計した。皮膚は大きな傷を閉じることができたが、それは自然な皮膚の複雑さの一部しか攻略できなかった。

新しい研究では、3種類のヒト細胞をバイオインクとして使用し、皮膚の構造を上から下まで再現した。人工皮膚を製造するために、チームはコンピュータソフトウエアを使用して、各層への細胞の配置を指示した。3D押出プリンティングと呼ばれるこの技術は、空気圧を使用してノズルから高度に洗練された組織をプリントする。複雑のように聞こえるが、ケーキをデコレートするために様々な色のアイシングを絞り出すのに少し似ている。

最初のステップとして、チームは主に肝臓分泌タンパク質で作られたヒドロゲルに細胞を懸濁させた。合成材料とは異なり、この体内で生成されたベースは生体適合性を高める。次に、チームは3D皮膚グラフトをレイヤごとにプリントした。両側に1インチの大きさで、角砂糖よりも少し大きくなった。

バイオプリントされた皮膚は、実験室で少なくとも52日間3層を維持し、色素沈着と正常な脱落を伴う領域を発達させた。

勢いづいて、チームは次にマウスで人工皮膚をテストした。人工皮膚移植片で治療されたすべての創傷は、ヒドロゲルのみで治療された創傷または創傷を自然に治癒させた創傷とは対照的に、2週間で完全に治癒した。

人工皮膚は、皮膚の上部保護層を構築し、自然治癒に似た構造を形成するのに特に優れていた。また、コラーゲンを生成し、さらに重要なことに、それを人間の皮膚に似た籐バスケットのような構造に織り込んだ。

バイオプリントされた皮膚はさらにマウス自身の血管細胞を動員し、移植片内に小さな血管のネットワークを生成した。染色を使用して移植片内のヒトタンパク質を追跡し、チームは移植された細胞が皮膚の中間層で宿主と一体化していることを発見した。

ゲームは続く
マウスは人間よりも皮膚が薄い。対照的に、豚の皮はわれわれの皮膚に近い。2番目のテストでは、チームはブタへの移植技術を拡大した。ここでは、生検によってブタから皮膚の外層、コラーゲン、血管、脂肪組織を構成する4種類の細胞を採取し、バイオリアクタ内で28日間増殖させた。

一部のバッチは失敗だったが、平均して、醸成物は、より広い範囲をカバーするために最初の移植片のサイズを2倍にするのに十分な細胞を生成した。得られた人工皮膚パッチは、ルービックキューブの面サイズとほぼ同等であり、豚の皮膚の厚さと一致していた。

マウスでの結果と同様、移植片は、瘢痕化を引き起こす通常の「しわ」効果（ブドウからレーズンのように皮膚が収縮する）なしに大きな傷を迅速に閉じた。

チームは、移植片が創傷治癒に関与する遺伝子を増幅し、一部は新しい血管の成長と瘢痕化の減少に役立つ免疫反応を制御する遺伝子も含まれるためである可能性が高いと結論付けた。

人工皮膚は有望だが、まだ初期段階にある。ブタに移植した場合、確実に色素沈着を引き起こすことはいが、より暗い肌の色調を持つ人々にとって問題となる可能性があった。移植片には体毛が生成されなかったが、バイオインク内で体毛を成長させるための構造が含まれていた。最悪の状態ではないかもしれないが（もう髭剃りの必要はない）、結果は学ぶべきことがまだたくさんあることを示唆している。

Atalaにとって、努力はそれだけの価値がある。「包括的な皮膚治癒は重要な臨床的課題であり、世界中の何百万人もの個人に影響を及ぼし、選択肢は限られている」と同氏はコメントしている。この研究は、人間の壊滅的な傷を治療するために実物大の皮膚をプリントすることが可能であることを示唆している。