オレゴン州の科学者は、私たち全員のより健康な未来に向けて 3D プリントを行っています

ヘイリー・ヘルムズの細胞は、何千もの目に見えないフジツボのように、透明なプラスチックボトルの側面に貼り付いています。

「これらのフラスコの1つにそれらを入れて適切な[栄養素]を与えると、細胞は成長を続け、プラスチックの上に広がります」と彼女は手のひらの側面でボトルを叩き始めながら説明します。

瓶の中の浅いピンク色の液体が衝撃で波打ちます。細胞が側面から離れると、液体がわずかに曇ります。ヘルムズは溶液を試験管に移し、遠心分離機で遠心分離します。

このチューブの底にあるペレットには、約 100 万個の前立腺がん細胞が含まれています。

ブランドン・スワンソン / OPB

出てくると液体は再び透明になり、チューブの底にうっすらと白っぽい汚れが残ります。

「だから、あまり見えにくいんですが…底に小さな塊があります」と彼女は言う。「その小さなペレットの中には約100万個の細胞が入っています。」

細胞は生命の小さな構成要素であり、これらの細胞は、バイオファブリケーションと呼ばれる医学分野におけるオレゴン健康科学大学の研究者の最先端の研究、つまり本質的に生物学を使った構築の鍵となります。バイオファブリケーションの長期的な目標の 1 つは、移植可能な人間の臓器を作成することです。

何か月もかけて、ヘルムズ氏は個々の細胞を 3D プリントする方法を開発しました。これは、現場をこの目標に近づけるかもしれないテクニックです。

OHSU 研究者のヘイリー・ヘルムズ氏は、プリント用に前立腺がん細胞を準備しています。

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「インクジェットプリンタの仕組みに似ています。さまざまな色をすべて用意できます。各チャネルに異なる種類の細胞を配置するだけです」と彼女は言います。

彼女が仕事に使っているプリンターは市販のものですが、それを使って彼女がやっていること、つまり小さなセルを一度に 1 つずつ印刷して、セルがどのように相互作用するかを理解するということは、非常に新しいことです。

「私はあらゆる種類の細胞を印刷します。そして、目標は、組織を構成するすべての細胞を取り出し、それらを適切なパターンに組み立てることです」と彼女は言います。

この技術は非常に新しいため、印刷会社の代表者がヘルムズ氏が勤務するポートランドの研究所を訪れたとき、彼らは驚きました。

「私が会社にこれをやっていると伝えても、そんなことは不可能だと言われました。そして私は『見てください』と言いました」と彼女は語った。

OHSU の科学者たちは、インクで印刷する代わりに、個々の細胞を印刷する方法を発見しました。プリンターにロードされるこのカートリッジには、約 100 万個の前立腺がん細胞が含まれています。

ブランドン・スワンソン / OPB

この日、彼女のプリンターカートリッジには前立腺がん細胞が仕込まれていた。

ヘルムズはビデオゲームコントローラーをつかみ、それを使ってプリンターヘッドを動かします。

「上下左右に動いて、いつ来るかを細胞に伝えてください」と、印刷面の拡大画像が表示されるコンピューター画面から目を離さずに彼女は言う。「なぜなら、印刷したものが数ミリの何分の１かのようなものであると、後でそれを見つけるのが困難だからです。」

彼女がボタンを押すと、突然、画面の灰色の背景に白い点が表示されます。

オレゴン健康科学大学の研究者ヘイリー・ヘルムズ氏は、ビデオゲームコントローラーを使用して 3D プリンターヘッドを制御し、「All Science. No Fiction」から収集されたこの画像内の個々の細胞を正確に印刷します。 2023 年 10 月のビデオ映像。

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「この小さな点は、1 つの個々の細胞です」と彼女は言います。

彼女は数ミクロン左に移動し、別の細胞を配置しました。今度は 2 つの前立腺がん細胞が信じられないほどの精度で配置されました。

「私が実際には働いていないのではないかとみんなからからかわれます。私はただここに座って一日中ビデオゲームをしているだけです」と彼女は言います。

しかし、ここでの賭けは平均的なビデオゲームよりもはるかに高くなります。

「癌の[形成]を引き起こしたのは、癌内の遺伝子変異だけではありません。細胞がどのように配置されているかも関係しています。ある細胞型が別の細胞型に隣接している場合、それは実際に癌に罹患するかどうかを示す可能性があります。」予後が良くなるか悪くなるかです」とヘルムズ氏は言う。

ヘルムズ氏は、印刷技術を使用して、さまざまな構成のセルがどのように動作するかを解明しています。

「がん細胞を取り出し、健康な細胞を周囲に配置して、これらの細胞がどのように情報を伝達するのかを見てみましょう。」彼女は説明する。「がんは増殖し続けているのでしょうか? 健康な細胞はよりがん性の働きをしているのでしょうか? そして私たちはパターンと細胞の種類を変え続けて調べています。これらの細胞はどのように相互に通信しているのでしょうか?」

そして最終的には、ある人のがんを他の人のがんよりも進行させている原因が明らかになる可能性があり、その情報は非常に貴重です。なぜなら、細胞間の相互作用を理解すれば、研究者は新しい治療法を開発するために必要な情報を得ることができるからです。

「（がん）治療薬は、細胞がどのように機能するかという特定の相互作用とメカニズムをターゲットにしています」とヘルムズ氏は言う。「そのメカニズムが何であるかを知らなければ、それに対処する薬を作ることはできません。」

OHSUの研究者らは、肉眼では見えないほど小さな個々の細胞を3Dプリントする方法を考案した。

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ヘルムズ氏の研究は現在、がんに焦点を当てているが、OHSU 准教授のルイス・ベルタッソーニ氏は、新しい細胞ごとのプリンティング作業によって間もなく何が可能になるかに興奮している。

「ご存知のように、私たちは精度に本当に重点を置いています」と彼は言います。

ベルタッソーニはヘルムズが働く研究室を率いています。

「体の細胞一つ一つには、文字通り、理由があって存在しています」と彼は言います。「私たちは、自然がもたらすその精度のレベルを再現することに特に興味を持っています。それが、身体が持つ機能を実際に再現するための鍵であると考えているからです。」

端的に言えば、ベルタッソーニの目標は、人間の体内で機能する複雑な人間の器官を 3D プリントできるようにすることです。

保健資源サービス局によると、米国では10万人以上が臓器移植を待っている。毎日、移植を待っている17人が亡くなっています。

移植可能な臓器の印刷は、世界中の多くの研究室が取り組んでいる課題です。組織の構築や臓器の簡素化には大きな進歩があったが、ベルタッソーニ氏によれば、臓器を生体のような完全に機能させることを実現した人はいないという。

彼は、臓器を細胞ごとに正確に複製できることが、この困難を乗り越える方法だと考えています。

Helms の 3D プリンティング技術は、これを実現する手段となる可能性があります。

「世の中にある他の組織工学の方法を使えば、構造を作ることができます。タンパク質と、形状を作る足場を築くことができます」と彼女は言う。「しかし、これにより、セルを必要な配置に追加することもできるようになりました。」

OHSU の研究者は、実際に機能する移植可能な臓器を作成するには、臓器を細胞ごとに正確に複製できることが鍵であると考えています。

ブランドン・スワンソン、ジェス・バーンズ / OPB

しかし、移植可能な研究室で培養/人工臓器を作成できるようになるまでには、やらなければならないことがたくさんあります。

「これは潜在的に有望な解決策です。…原理的にはそれは可能です」と生物医学 3D プリンティングを専門とするユタ大学のエンジニア、ヨン・リン・コン氏は言うが、OHSU の研究とは無関係である。彼はこの分野の発展を綿密に追跡してきました。

「もちろん、予期せぬ課題も常にあります」と彼は言います。「なぜなら、細胞と組織がどのように結合するかについて生物学から学ぶべきことがまだたくさんあるからです。そして、それらのシステムを構築した後に、欠落している情報が次のハードルになる可能性があります。」

しかし、それ以前に、人間の臓器と同じくらい大きなものを構築するのはかなりの課題がある、とベルタッソーニ氏は言う。そして、人体にとって意味のある規模で必要なレベルの精度の細胞構築を実現することは大きな課題です。

「3 つの細胞を互いに近づけることができます。ええ、それは素晴らしいことです。それは重要です。しかし、3 つまたは 4 つの細胞を 400 万回 [配置] できるでしょうか? これは実際に肝臓全体を構築するのに必要な量です。」と彼は言います。

これがOHSU研究室の目指す方向です。

「これはほんの始まりにすぎません。私たちはプロセスを改良し、規模を拡大しています。これをより迅速に、再現可能にしています」とヘルムズ氏は言います。

ベルタッソーニ氏は、精密印刷技術には長い道のりがあることを認めています。しかし、このアプローチが個別化された医療に与える影響は、驚くべきものとしか言いようがありません。

「病院に行って『肝不全なので、新しい肝臓が必要です』と言われたら」とベルタッソーニ氏は、そう遠くない将来のシナリオを想像しながら語る。

「[そしてあなたはこう言います]『ちょっと待って、肝臓を印刷してあげるから』そして、あなたはその患者に特有の肝臓を持ってきます。そして、あなたは永遠に薬を変えることになります。」

この物語は、OPB の科学シリーズ「All Science. No Fiction」の一部として制作されました。太平洋岸北西部で行われているソリューションベースの研究に焦点を当てています。

ＯＳＨＵで行われている驚くべきバイオファブリケーション研究についてもっと知りたいですか? ビデオ形式で科学を楽しみませんか? 「All Science. No Fiction」の最新エピソードをチェックしてください。

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