3Dプリンティングの助けを借りた人工軟骨

September, 12, 2024, Wien--TU Wienでは、3Dプリンタで作られた微細構造で細胞を成長させるという、人工組織を製造する新しいアプローチを開発した。
例えば、損傷した軟骨を置き換えるために、ラボで組織を成長させることは可能か。TU Wienでは、世界中で使用されている他の方法とは大きく異なる技術を使用して、ラボで代替組織を作成するための重要な一歩を踏み出した。

特殊な高解像度3Dプリンティングプロセスを使用して、生体適合性で分解性のあるプラスチックで作られた小さな多孔質の球体を作成し、細胞でコロニーを形成する。これらのスフェロイドは任意の形状で配置でき、異なるユニットの細胞がシームレスに組み合わさって均一な生体組織を形成する。現在、TU Wienでこの概念が実証されている軟骨組織は、以前はこの点で特に難しいと考えられていた。

細胞のスカフォールドとなる微小球形ケージ
「幹細胞から軟骨細胞を培養することは、最大の課題ではない。主な問題は、通常、結果として得られる組織の形状をほとんど制御できないことである。これは、このような幹細胞の塊が時間の経過とともに形を変え、しばしば縮小するという事実にも起因している」と、今回の研究の著者の1人であるTU Wien材料科学技術研究所のOliver Kopinski-Grünwaldは話している。

これを防ぐために、TU Wienの研究チームは、特別に開発されたレーザベースの高解像度3Dプリンティングシステムを使用して、直径わずか1/3㎜のミニフットボールのような小さなケージのような構造を作成するという新しいアプローチに取り組んでいる。それらは支持構造として機能し、任意の形状に組み立てることができるコンパクトなビルディングブロックを形成する。

幹細胞はまず、このフットボールの形をしたミニケージに導入され、小さな体積をすぐに完全に満たす。「このようにして、細胞が均一に分布し、細胞密度が非常に高い組織要素を確実に生産することができる。これは、これまでのアプローチでは不可能だった」と、TU Wienの3Dプリンティングおよびバイオファブリケーション研究グループのリーダー、Aleksandr Ovsianikov教授は説明している。

共に完璧に成長する
研究チームは、分化幹細胞、つまり、もはやどの種類の組織にも成長できないが、特定の種類の組織(この場合は軟骨組織)を形成するようにすでに決定されている幹細胞を使用した。このような細胞は、医療用途では特に興味深いものだが、軟骨細胞に関しては、より大きな組織の構築は難しい。軟骨組織では、細胞は非常に顕著な細胞外マトリックス、細胞間の網目状の構造を形成するが、これらは、異なる細胞スフェロイドが望ましい方法で一緒に成長するのを妨げることがよくある。

3Dプリントされた多孔質スフェロイドが所望の方法で細胞とコロニーを形成した場合、スフェロイドは任意の形状に配列されることが可能になる。ここで重要な疑問は、異なるスフェロイドの細胞も結合して均一で均質な組織を形成するのかということである。

「これこそが、今回初めて示したものである。顕微鏡で見ると、隣接するスフェロイドが一緒に成長し、細胞が一方のスフェロイドから他方のスフェロイドへ、またはその逆に移動し、シームレスに接続され、空洞のない閉じた構造になっている。これまで使用されてきた他の方法で、隣接する細胞の塊の間に目に見える界面が残るのとは対照的だ」とKopinski-Grünwaldは話している。

3Dプリントされた小さなスカフォールドは、組織が成熟し続ける間、全体的な構造に機械的安定性を与える。数ヶ月の間に、プラスチック構造は劣化し、それらは単に消え、完成した組織を所望の形状に残す。

医療アプリケーションへの第一歩
原理的には、この新しいアプローチは軟骨組織に限定されず、骨組織などの様々な種類の大きな組織を調整するためにも使用可能である。しかし、途中で解決すべき課題がまだいくつかあり、結局のところ、軟骨組織とは異なり、特定のサイズを超えるこれらの組織には血管も組み込まれる必要がある。

「最初の目標は、損傷後に既存の軟骨材料に挿入できる、小さくてオーダーメイドの軟骨組織片を製造することである。いずれにせよ、球状のマイクロスカフォールドを用いて軟骨組織を作製する方法が原理的に機能し、他の技術よりも決定的な優位性を持っていることを示すことができた」とOliver Kopinski-Grünwaldはコメントしている。