ウェイク フォレスト再生医療研究所の2階、エレベーターバンクからそう遠くない場所に、医学史における偉大な瞬間を描いた色あせたプリントのコレクションが置かれています。 あるものは、古代バビロニアの薬剤師が薬の入った小瓶を高く掲げているものです。 このプリントは半世紀前、製薬会社のパーク・デイビス社が、歴史のハイライトとして医師たちに配ったものである。 しかし、おそらく地球上で最も多くの医療未来学者が集まるウェイクフォレストで、このプリントを究極のジョークとして読み取ることも難しくはない。
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私がノースカロライナの古いタバコの町ウィンストン・セーラムにある研究所を訪れたとき、白衣の職員がタイル張りの床を行ったり来たりしている風通しの良い研究室を通り過ぎたのです。 テーブルの上には、まるで美術展のように腎臓の静脈の模型が、紫や藍、綿菓子のような色合いで並べられている。
「バイオプリンティング」と書かれた部屋の入り口で、ヨンジュンソルと名乗る研究者が私を出迎えてくれた。
ヨンジュンソルと名乗る研究者が、「バイオプリンティング」と書かれた部屋の入り口で私を出迎えた。髪をなでつけ、プラスチックフレームの眼鏡をかけたヨンジュンは韓国で育ち、ポハンの大学で機械工学を学んだ。 ウェイクフォレストの研究室では、特注のバイオプリンターを使った研究を行っている。この強力な機械は、通常の3Dプリンターとほとんど同じように作動する。 モデリングソフトウェアを使って対象物をスキャンし、設計します。 そのデータはプリンターに送られ、プリンターは注射器を使って物質を次々と塗り、3次元の物体を作り上げるのです。 従来の3Dプリンターは、プラスチックやワックスなどを対象としていました。 「と、眼鏡を鼻にかけながら、ヨンジュン氏は言った。「ここが違うのは、生きているものをプリントできることです」
彼は右手にある機械を指差した。
彼は右手にある機械を身振りで示しました。 フレームは重い金属で、壁は透明である。 中には6本の注射器が並んでいた。 一つは生体適合性のあるプラスチックで、これを印刷すると、人間の臓器や体の一部を印刷した足場、つまり骨格のような構造になる。 もう一方は、ヒトの細胞やタンパク質を含むゲルで満たされ、成長を促進させることができます。
As the scaffold is being printed, cells from an intended patient are printed onto, and into, the scaffold; the structure is placed in an incubator; the cells multiply; and in principle the object is implanted onto, or into, the patient. In time, the object becomes as much a part of the patient’s body as the organs he was born with. 「
Young-Joon氏は、プリンターの1台をプログラムして、人間の耳の足場を作るプロセスを開始させた。 ガラスケースから覗き込むと、小さく、繊細で、極めて耳に近い形状の足場が少しずつ出来上がっていくのが見えた。 この作業は何時間もかかるので、ヨンジュンさんは完成品を私に手渡した。
耳の外部構造は、ウェイク フォレストの研究所 (および他の研究センター) が、より複雑な構造への足がかりとして、マスターしようとした最初の構造の 1 つです。
増え続けるバイオプリンティングの伝道者 (医療施設に出荷される 3-D プリンターの数は今後 5 年間で倍増すると予想されています) にとって、この試験は、今まさに注目されつつある世界の前触れであり、かつてシェビーのキャブレターの交換を注文したように、患者が自分の体の交換部品を注文する世界なのです。
「デルのモデルのように考えてください」と、小児泌尿器科医で研究所の所長であるアンソニー・アタラ氏は、消費者とメーカーの間の有名な「直接」関係モデルのコンピュータ会社のことを指して言いました。 私たちは研究所の4階にあるアタラ氏のオフィスに座っていた。 「細胞を加工し、構造物を作り、組織を作る会社がある。 外科医はCTスキャンと組織サンプルを採取して、その会社に送るかもしれません。 一週間かそこらで、臓器が無菌のコンテナに入ってフェデックスで届き、移植の準備が整うのです。 そして、「チェンジ・オー」。
「興味深いのは、外科的な課題がないことです」と、アタラ氏は言います。 「
私たちは、皮膚や外耳、チューブのような気管といった「単純な」臓器で、その実現に近づいています。
皮膚や外耳、チューブのような気管といった「単純な」臓器ができつつあり、同時に、アタラは次に来るかもしれないものに目を向けずにはいられません。 アタラは、肝臓や腎臓のような、これがなければ体が動かなくなるような大きくて複雑な臓器を作ることができる巨大なバイオプリンティング産業を思い描き、最も悲観的な見方をしている。
それは完全な医療革命となるでしょう。
これは完全な医療革命であり、すべてを変えてしまうだろう。
壊れた自分の一部を健康なもの、あるいは他の誰かの一部と置き換えるという考えは、何世紀も前にさかのぼります。 外科医の守護聖人であるコスマスとダミアンは、紀元3世紀に、最近死んだエチオピア人の足を白いローマ人に取り付けたとされており、この主題は多くのルネサンス期の芸術家によって描かれました。 20世紀になると、医学はようやく想像に追いつき始めた。 1905年、眼科医のエドゥアルド・ツィルムは、怪我をした11歳の少年から角膜を切り出し、石灰を溶かしている間に目を失った45歳のチェコの農場労働者の体に移植することに成功した。
しかし、主要な臓器、つまり人間の機能にとって不可欠な臓器の移植に初めて成功したのは、1954年、マサチューセッツ州の23歳のロナルド・ヘリックが、慢性腎炎に苦しんでいた双子の弟リチャードに健康な腎臓を提供した時でした。 ピーター・ベント・ブリガム病院（現在のブリガム・アンド・ウィメンズ病院）の外科医ジョセフ・マレーは、一卵性双生児が同じDNAを持っていたため、臓器拒絶の問題を回避する方法を見つけたと確信しました。
自伝『魂の手術』の中で、マレーは勝利の瞬間を回想しています。「ドナーの腎臓に新たに接続された血管からクランプをそっと外したとき、手術室は一斉に静まり返りました。 血流が回復すると、リチャードの新しい腎臓は膨張し始め、ピンク色になった」と書いている。 「周囲はにやにやしていた」。 マーレーはヘリックス夫妻によって、生物学的近視眼の本質を証明したのである。
外科学が進歩し、患者が外国の臓器を受け入れることを可能にする免疫抑制治療が登場すると、かつては手の届かないものと思われていたことが現実となったのです。
外科学が進歩し、患者が外国の臓器を受け入れることを可能にする免疫抑制治療が導入されるにつれて、かつては手の届かないものと思われていたことが現実のものとなっていきました。 1984年には、米国議会が「全米臓器移植法」を制定し、臓器移植のための全国的な登録を行い、ドナーの臓器が公平に分配されるよう努めた。 そして、多くの場合、患者は自分の名前がリストのトップに載るのを待ちながら死んでいったのである。 この基本的な問題は、今も解決していない。 米国保健省& Human Servicesによると、この国だけでも毎日21人が臓器を待って亡くなっているそうです。 「私にとって、需要は抽象的なものではありませんでした」と、アタラは最近私に言った。 「そのため、臓器移植を希望される方は、臓器移植を希望される方と同じように、臓器移植を希望される方が多いのです。
アタラさんは57歳、細身でやや猫背、茶髪で親しみやすく、みんなにトニーと呼ばれるほどです。 ペルーで生まれ、フロリダで育ったアタラは、ルイビル大学で医学博士号を取得し、泌尿器科の専門教育を受けました。 1990年、ハーバード大学医学部で2年間のフェローシップを得た（現在、ウェークフォレストでは週に1日以上、患者を診るために休みをとっている）。
最初の大きなプロジェクトは、人間の膀胱を培養することでした。 彼は縫合針を使って、生分解性の足場を手作業で縫い合わせた。 その後、患者候補の膀胱と尿道から尿路上皮細胞を採取し、実験室で増殖させ、その細胞を構造体に貼り付けた。 「まるでケーキを焼くようなものです。 「一度に1層ずつ。 そして、すべての細胞を播種したら、再びインキュベーターに入れ、培養しました」。
1999年から2001年にかけて、犬で一連のテストを行った後、カスタム成長した膀胱が、膀胱が機能しなくなる衰弱した障害である二分脊椎を患う7人の若い患者に移植されました。 2006年、アタラは『Lancet』誌に発表した論文で、7年後の今、生体工学で作られた膀胱は驚くほどよく機能していると発表し、大きな注目を集めた。 実験室で作られた臓器が人間に移植されたのは、これが初めてであった。 アタラは当時のプレスリリースで、ニール・アームストロングの言葉を引用して、「これは、損傷した組織や臓器を置き換えるために前進するための小さな一歩である」と述べた。 これは、アタラの主要な才能の1つの代表例であった。 マサチューセッツ総合病院の再生医療センター長で、ハーバード大学幹細胞研究所の共同所長であるデビッド・スカデン氏は、「アタラは常に先見の明があった。
ブラダーは重要なマイルストーンでしたが、患者の要求という点では特に上位に位置するものではありませんでした。
ブラダーは重要なマイルストーンでしたが、患者さんの需要という点では特に高いものではありませんでした。さらに、このような処置のために米国食品医薬品局が必要とする多段階の承認プロセスには時間がかかるものです。 現在、アタラが開発した膀胱は、まだ広く使用するための認可を受けていない。 「再生医療を考えるとき、何が可能かだけでなく、何が必要かを考えなければなりません」とアタラは言った。 「
アタラにとって、その答えは簡単なものでした。 移植リストに載っている10人の患者のうち、約8人は腎臓が必要です。 最近の推定によると、彼らはドナーを得るために平均4年半も待ち、しばしば深刻な苦痛を味わっているのです。 アタラが本当に臓器不足の危機を解決したいのなら、避けては通れない道である。
1980年代初頭に、主にプロトタイプを構築するための工業用ツールとして認識されていた 3-D プリントは、デザイナー靴から歯冠、自家製のプラスチック銃まで、潜在的なアプリケーションの範囲がますます広がり、数十億ドルの産業にまで成長しました。 (現在では、家電量販店に行けば、500ドル以下でポータブル3Dプリンターを購入することができます）。 2003年、サウスカロライナ州のクレムソン大学で生物工学の教授をしていたトーマス・ボーランドは、人間の細胞をジェルに混ぜて印刷できるカスタマイズされたインクジェットプリンターの特許を申請したのである。
アタラにとって、バイオプリンティングの可能性は、その規模に関わるものでした。
彼は研究室で臓器を成長させ、それを人間に移植することに成功しましたが、そのプロセスは非常に時間がかかり、正確さに欠け、再現性が低く、人的ミスの可能性が常に付きまとった状態でした。 数年のうちに、彼は自分の進歩に十分な自信を持ち、それを見せびらかすことができるようになりました。 2011年、アタラはバイオエンジニアリングされた臓器の未来についてTEDで講演し、以来200万回以上視聴されている。 プリーツの入ったカーキ色とストライプのボタンダウンシャツを着て、アタラは臓器不足がもたらす「健康上の重大な危機」について語った。 足場となる最適な生体材料の開発、臓器に特異的な細胞を体外で増殖させ、それを維持する方法の研究など、技術革新と粘り強い研究によって克服された医学的課題を説明した。 (
そして彼はバイオプリントについて話し、ラボで作業中のプリンター数台のビデオを見せ、ステージ上の彼の後ろのプリンターがピンク色の球状の物体を作るのに忙しそうにしているのを見せました。
観客が黙って座っている間に、Atala はビーカーに手を伸ばし、ぬるぬるした特大の豆のようなものを取り出したのです。
観客が沈黙する中、アタラはビーカーに手を入れ、ぬるぬるした特大の豆のようなものを取り出しました。 「今日、印刷された腎臓が見えますよ」と彼は言った。 観客は自然に拍手をした。
未来がやってきた。
そして、そうではなかった。
実際、アタラがステージで手にしたものは、動く人間の腎臓ではなかったのです。 それは不活性で、非常に詳細なモデルであり、彼がバイオプリンティングがいつかもたらすと期待し考えていたものの一例でした。 注意深く見ていれば、アタラが手にしたものが動く臓器であるとは決して約束していないことがわかる。
昨年、ハーバード大学の材料科学者であり、バイオプリンティングの主要研究者であるジェニファー・ルイス (彼女の専門は血管組織のエンジニアリング) は、ニューヨーカー誌のインタビューでアタラを批判したようです。 彼女はTED Talkについて、「誤解を招く表現だと思いました」と述べています。 「
TEDトークの余波で、ウェイクフォレストはプレスリリースを発表し、バイオプリントされた腎臓が市場に出るまでには長い時間がかかるだろうと強調したのです。 この論争から何かを学んだかどうかアタラに尋ねると、彼はそれについて直接コメントすることを避け、代わりに、特定のプロジェクトにタイムスタンプを押すことを嫌がる理由を指摘しました。 「
この騒動は、再生医療分野の研究者が直面する中心的な課題の1つを端的に示しています。
この騒動は、再生医療分野の研究者が直面する中心的な課題の1つを端的に示しています。 なぜなら、熱意は報道、資金、資源につながるからです。あなたは、周囲の人々や次世代の科学者を刺激したいのでしょう。
そして、大きく複雑な臓器に関しては、この分野はまだ道半ばです。
そして、大きな臓器や複雑な臓器に関しては、この分野にはまだ先があります。鉛筆と紙を持って座れば、人間の腎臓よりも構造的・機能的に複雑なものを思いつくことはほとんどできないでしょう。 こぶし大のこの臓器の内部は、直径0.010ミリほどの血管と、ネフロンと呼ばれる約100万個の小さなフィルターが複雑に入り組んだハイウェイシステムによって、固い組織で構成されており、健康に良い液体は血液に戻し、老廃物は尿として膀胱に送り込まれるのだ。 腎臓をバイオプリントするには、腎臓細胞やネフロンを培養して導入するだけでなく、臓器に必要な血液や栄養を供給するための血管系を形成する方法を習得していなければならない。
そのため、多くの研究者が、ゼロからこれらの構造を印刷するのではなく、自然界ですでに設計されているものを利用するという選択肢を模索しています。 ヒューストンのテキサス心臓研究所では、同研究所の再生医療研究プログラムのディレクターであるドリス・テイラーが、化学浴で筋肉や他のすべての生きた組織細胞を除去し、その下のコラーゲン基質だけを残した脱細胞化豚心臓を実験に使っています。 脱細胞化された臓器は青白く、幽霊のようであり、かつて光らせていた溶液を抜いた蛍光灯のようである。
テイラーは、いつか、ヒトの細胞を再充填した脱細胞化ブタの心臓を、ヒトの患者に移植したいと考えています。
テイラーは、将来的には、ヒトの細胞を再充填したブタの心臓をヒトの患者に移植することを望んでいる。これまで、彼女のチームは、生きたウシの細胞を注入した心臓を牛に挿入し、牛の元の健康な心臓と同様に鼓動させて血液を送り出すことに成功している。 テイラーにとって、この方法は、血管網に必要な非常に細かい解像度で印刷する方法を見つけるという難題を避けている。 「
ウェイクフォレストの研究者は、動物や人間の死体から採取した臓器を脱細胞化する実験も行っています。
ウェイクフォレストの研究者たちは、動物や人間の死体から採取した脱細胞化臓器の実験も行っています。実際、アタラは代替腎臓を聖杯と見なしていますが、それを作るのは、さまざまな角度から行われる段階的プロセス以外の何者でもないだろうと考えています。 そのため、研究所やその他の研究者は、臓器の外部構造や内部構造の印刷を改良する一方で、血管を印刷し、成長させるさまざまな方法を試しているところである。
私たちが話をしたとき、アタラは、臓器がバイオプリントされたものであろうとなかろうと、それを切実に必要としている人間に、機能する人工大臓器を提供することが彼の目標であると強調しました。 「
しかし彼は、そこに到達する方法は重要でないとは言えないと、すぐに指摘しました。最終的には、今後数十年、あるいは楽観主義のレベルによっては22世紀にも、救命臓器を求める人が二度と現れないような産業の基礎を築きたいのです。
「同じ種類の臓器を何度も作ることができる装置が必要です」と、アタラ氏は私に言いました。 「
ある日の午後、私は研究所のジョン・ジャクソン准教授のデスクに立ち寄りました。 63歳のジャクソンは、実験血液学者である。
ジャクソンは、さまざまな生きた皮膚細胞を患者に直接印刷するための皮膚細胞プリンターの開発を監督しています。 「例えば、あなたが皮膚に傷を負ったとしましょう。 「その傷をスキャンして、傷の大きさや形を正確に把握し、その3D画像を得るのです。 そして、ハイドロゲルの中で培養された細胞を、傷に合うように正確な形にプリントすることができるのです」。 今のところ、このプリンターは皮膚の上2層分の組織を作ることができ、火傷の傷のほとんどを治療し治すのに十分な深さです。
Jackson は、FDA の承認が得られれば、今後 5 年以内に臨床試験を開始できると推定しています。
その一方で、彼のチームは豚を使った皮膚印刷機のテストに忙殺されていた。 彼は、パネルに分割された大きなポスターを広げた。 1枚目は、技術者が豚の背中に切った一辺が4センチほどの正方形の傷の詳細な写真である。 (その日のうちに、この傷口に直接細胞をプリントしたのである。 印刷後の写真を見ると、色や質感に違いがあることがわかる。 その部分は、天然の豚の肉よりも灰色でくすんでいた。
皮膚細胞プリンタは、米国国防総省から資金提供を受けている同研究所のいくつかの活発なプロジェクトの 1 つで、最近の戦争で負傷したアメリカ人兵士の間で流行している、顔や性器の損傷の組織再生イニシアチブも含まれています。 昨年、アタラ氏率いる研究者たちは、メイヤー・ロキタンスキー・キュスター・ハウザー症候群という珍しい生殖障害を持つ10代の若者4人に、患者自身の細胞で操作した膣を移植することに成功したと発表した。
「サイバースペース」という言葉を生み出し、デジタル革命の大部分を予見した未来学者ウィリアム・ギブスンの新作小説『ペリフェラル』は、薬、コンピュータ、衣類など、人間が必要とするあらゆるものを「ファブ」、つまり3Dプリントできる時代が舞台になっています。 薬、コンピュータ、衣服など、必要なものは何でも3Dプリントで作ることができる時代だ。
私はアタラのオフィスへ向かいました。
彼は午前中ずっと手術室にいて（彼は医学部の泌尿器科主任でもあります）、夜遅くまで家に帰るつもりはなかったのですが、彼は元気でエネルギーに満ちあふれていました。 診療をやめて研究だけに専念しようと思ったことはないのですか」と尋ねると、彼は首を横に振った。 「
彼は首を横に振った。「結局のところ、私は患者の面倒を見るために医学の世界に入ったのです。 「
彼は首を横に振りました。 しかし、それと同じくらい重要なのは、何が必要とされているのかを常に把握することです。 というのも、もし私がその必要性を直に感じ、その問題に直面することができたなら、私はそれに取り組み続け、解明しようとし続けることができるからです」
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