医師は治療の選択肢がなくなると、患者の病気の解決策として生物工学として知られる新興分野に目を向けます。専門の科学者は工学原理を生物学的システムに適用し、新しい人間の組織、器官、血液、さらにはここに示されているような角膜を作成する可能性を切り開きます。臓器移植の待機リストは依然として長くなっており、生体工学を利用した体の一部で命を救う競争が続いている。近年の最も注目すべき成果をいくつか紹介します。
肌
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画像: フラウンホーファー界面工学・バイオテクノロジー研究所
患者に移植して毒性試験に使用するための少量の人工皮膚を製造することは、何年も前から可能でした。ヒトの皮膚細胞は研究室で培養され、コラーゲンの足場に埋め込まれます。 2011 年、フラウンホーファー界面工学・バイオテクノロジー研究所は、2 層の人工皮膚モデルを迅速に製造できるシステムを導入しました。同社のティッシュ工場では、1 か月に 5,000 枚のスキンシートを製造する能力があります。
耳
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画像: Frank Wojciechowski/プリンストン大学
3D 生物学的構造、特に複雑な人間の耳を再現することは、生物工学者にとって大きな課題となります。機械航空宇宙工学のマイケル・マカルパイン准教授率いるプリンストン大学のチームは、3Dプリンティング技術を利用して、子牛の細胞と電子材料から機能的な耳を作製した。 2013 年 5 月にデビューしたこの耳は、単純な代替品ではなく、人間の耳が通常検出できる範囲をはるかに超えた無線周波数を拾うことができます。
膀胱
外科医のアンソニー・アタラは、ウェイク フォレスト再生医療研究所を所長しており、新しいヒトの細胞、組織、臓器、特に泌尿器科を進歩させる細胞、臓器の増殖で知られています。アタラ氏と彼のチームの生物工学による膀胱は臨床試験に成功した。膀胱は患者の細胞から構築され、生分解性の足場上で2か月かけて増殖させて移植した。患者には腎不全のリスクがある二分脊椎症の子供も含まれていました。それから数年が経過しましたが、結果は良好です。 「これらの構造物は、患者が年齢を重ね成長するにつれてうまく機能しているようです」とアタラ氏はNIHレコードに語った。
血管
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画像: マサチューセッツ総合病院/PNAS
研究室で患者自身の細胞から血管を作製できるようになれば、心血管疾患、腎臓疾患、糖尿病の治療法が改善される可能性がある。 2011年、カリフォルニアに本拠を置くサイトグラフト組織工学の責任者は、3人の末期腎臓病患者に研究室で生物工学的に処理された血管を移植した研究の進捗状況を報告した。 8 か月後も移植片は良好に機能し続け、透析へのアクセスが容易になりました。そして今月、マサチューセッツ総合病院のチームは、成熟した血管細胞を初期の幹のような状態に戻す方法を発見した。彼らは、生きたマウスに長期持続する血管を生成しました。
心臓
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画像: マサチューセッツ総合病院/OTT ラボ
人工心臓装置は 1980 年代から外科的に埋め込まれてきましたが、健康な生物学的心臓ほど効果的に人間の心臓を置き換えることができる装置はありませんでした。結局のところ、人間の心臓は 1 年間に 3,500 万回ポンプを動かします。最近、科学者は人工心臓装置にさらに多くの生物学的材料を追加するという進歩を遂げました。 5月、フランスのカーマット社は牛の心臓組織を含む人工装置をテストする準備をした。マサチューセッツ総合病院では、外科医ハラルド・C・オットと彼のチームがバイオ人工心臓足場の開発に取り組んでおり、一方MITの研究者らは最近齧歯動物の細胞から機能的な心臓組織をプリントした。
肝臓
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画像: ウェイクフォレスト大学バプテスト医療センター
生物工学者が研究を進めていますが、肝臓は最も大きく、再現するのが最も難しい臓器の 1 つです。 2010年、ウェイクフォレスト大学バプテスト医療センターの生物工学者らは、構造には脱細胞化された動物の肝臓とヒトの細胞を使用して、研究室で小型肝臓を培養した。今月、横浜市立大学大学院医学研究科のチームは、ヒト成人の皮膚細胞を再プログラムし、他の種類の細胞を加え、初期段階の肝臓の「芽」に成長させる研究結果を発表した。現在、科学者らは約100個の肝臓を作製できるが、研究の主著者である武部隆則氏はウォール・ストリート・ジャーナルに対し、部分的な肝臓でも数万個が必要になると語った。
気管
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画像: ハーバード大学の装置再生技術
4月、国際外科医チームがピオリアのイリノイ小児病院で9時間かけて彼女の手術を行った後、生後32か月のハンナ・ウォーレンが、生体工学による臓器の移植を受けた最年少の患者となった。科学者たちは彼女自身の骨髄細胞を使って彼女のために気管を作った。生まれつき気管がないため、呼吸し、食べ、飲み、話すのに助けが必要でした。ハーバード バイオサイエンスは、実験手順のためにカスタムの足場とバイオリアクターを作成しました。悲しいことに、ハンナさんは最近受けた食道の手術による合併症のため、7月7日に亡くなった。高いリスクにもかかわらず、生物工学者らは今後も前進し続けると述べている。
バックディスク
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画像: ロビー・ボウルズ
椎間板の破裂または変性が慢性的な腰痛を引き起こす場合、治療法は限られています。最悪の場合、患者は椎骨を結合する手術を受け、柔軟性が制限されます。過去数年にわたり、人工椎間板が代替品として登場しましたが、使用すると摩耗する可能性があります。 2011年、コーネル大学の研究チームは、ラットの細胞を播種したゲルとコラーゲンを使用してインプラントを生物工学的に作製し、ラットの脊椎に移植することに成功した。この夏、デュークの生物工学者らはさらに取り組みを進め、椎間板間の空間に注入すると組織の再生に役立つと考えられるゲル混合物を考案した。
腸
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画像: EPFL
消化器疾患を診断したり、腸の一部を持たずに生まれてきた患者を助けるために、生物工学的に作られた腸が少しずつ研究室で栽培されています。 2011年、コーネル大学の生物環境工学助教授ジョン・マーチ氏は、ピッツバーグを拠点とする小児外科医デイビッド・ハッカム氏と、コラーゲンと幹細胞を使った小人工腸の共同研究を開始した。そして昨年スイスでは、EPFLのマーティン・ギス教授がマイクロシステム研究所で、培養上皮細胞とニュートリチップと呼ばれる電子機器から小型の腸壁を作成し、炎症を引き起こす食品を特定するプロジェクトを主導した。ハーバード大学ウィス研究所の科学者らは、小さなシリコンポリマー製デバイスの腸細胞を使って本物を模倣する「腸チップ」も作成した。
腎臓
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画像: カリフォルニア大学サンフランシスコ校
米国疾病管理予防センターによると、アメリカ成人の10人に1人が、何らかのレベルの慢性腎臓病を患っているという。現在、米国では約60万人の患者が慢性腎不全を患っている。ほとんどの人は透析に頼っていますが、実際に移植を受けている人は一部です。カリフォルニア大学サンフランシスコ校の科学者たちは、人間の腎臓細胞とシリコンナノフィルターで作られ、血圧を動力源とする高度な人工腎臓装置を作成するという使命に取り組んでいます。 UCSFの腎臓学者ウィリアム・フィセル氏と生物工学教授シュボ・ロイ氏が率いるこのプロジェクトは、2017年に腎臓装置のテストを開始することを目指している。
