エレベーターバンクからそれほど遠くない、ウェイクフォレスト再生医療研究所の2階には、病歴の素晴らしい瞬間を描いた色あせたプリントのコレクションがあります。 1つは、古代のバビロニアの薬剤師が薬の小瓶を空中に持っていることです。 別の例では、紀元前5世紀にギリシャの医師ヒポクラテスが患者の世話をしていることが示されています。この印刷物は、半世紀前に製薬会社のParke-Davisによって医師に贈られました。 しかし、究極のインジョークとして、おそらく地球上で最大の医療未来派が集まるウェイクフォレストでの彼らの存在を読むことは難しくありません： 私たちがどこまで来たかを信じられますか？
この物語から
エイジレスジェネレーション
購入ノースカロライナ州の古いタバコの町ウィンストンセーレムにある研究所を訪れたとき、白いコーティングされたスタッフがタイル張りの床を前後に滑走する風通しの良い研究所を通過しました。 アート展示のように配置された1つのテーブルに、すみれ色とインディゴ色のコットンキャンディーで描かれた腎臓静脈のクモの巣を置きます。 ホールの下方では、2組の筋腱に散発的な電流が流れています。1組はラットから、もう1組は生体材料と細胞から設計されています。
Young-Joon Seolという名前の研究者は、「バイオプリンティング」と書かれた部屋のドアで私に会いました。 ウェイクフォレストでは、彼はラボのカスタムビルドバイオプリンター、標準の3Dプリンターとほぼ同じように動作する強力なマシンで動作するグループの一員です。オブジェクトは、モデリングソフトウェアを使用してスキャンまたは設計されます。 その後、そのデータはプリンターに送信されます。プリンターは、シリンジを使用して、3次元の物体が現れるまで連続して物質を塗ります。 従来の3-Dプリンターは、プラスチックまたはワックスで動作する傾向があります。 「ここで違うのは、眼鏡を鼻に当てて、「生きているものを印刷できることです」とヨンジュンは言った。
彼は右のマシンでジェスチャーをしました。 それは、高速道路の休憩所で見つける爪ゲームの1つに非常に似通っています。 フレームは重金属で、壁は透明でした。 内部には6本の注射器が一列に並んでいた。 印刷されたときに、印刷された人間の臓器または身体部分の骨格（本質的には骨格）の連動構造を形成する生体適合性プラスチックを保持していました。 他の細胞は、成長を促進するために、ヒト細胞またはタンパク質を含むゲルで満たすことができます。
Atalaは、カスタムビルドの3Dバイオプリンターに依存しています。 アメリカ人の74％は、生体工学による臓器は技術の「適切な使用」であると考えています。 医療センターで使用される3Dプリンターの数は、今後5年間で2倍になると予想されます。 （ジェレミー・M・ラージ） 
将来的には、研究所は、このようなプリンターで作られた足場を生きた細胞で発芽させて移植可能な体の部分を作り出すことを望んでいます。 （ジェレミー・M・ラージ） 
「ボディオンチップ」技術と呼ばれるものでは、研究者は、血液代替品を循環させるチューブで連結されたレッドチップ上の4つの小規模な実験室で作られた臓器を使用して、人体に対する病原体、医薬品、化学物質の効果をテストします （ジェレミー・M・ラージ） 
耳は、研究室がより複雑なものへの足がかりとして習得しようとした最初の構造の1つです。 （ジェレミー・M・ラージ） 
特注の3Dバイオプリンターは、生体適合性プラスチックと連携して、足場のインターロック構造を形成します。 （ジェレミー・M・ラージ） 
「ゴースト」ブタの心臓が組織細胞を剥ぎ取られました。 一部の研究者は、そのような臓器にヒト細胞を播種した後に移植することを望んでいます。 （テキサスハート研究所） 
ウェイクフォレスト再生医療研究所の研究者は、下顔と右耳の足場（骨格）を作成します。 （ジェレミー・M・ラージ） 
最終的に、3-Dプリンターで作成されたオブジェクトは、その人が生まれた器官と同じくらい患者の体の一部になります。 （ジェレミー・M・ラージ） 
ある日、薬物を検査する装置は、心臓、肝臓、肺、血管の機能を模倣する、実験室で成長した小さなオルガノイドに代用血液を循環させます。 （ジェレミー・M・ラージ） 足場が印刷されると、対象患者の細胞が足場の上および中に印刷されます。 構造物はインキュベーターに配置されます。 セルが増加します。 そして原則として、オブジェクトは患者の上または中に埋め込まれます。 やがて、オブジェクトは患者の体の一部になり、生まれた臓器と同じくらいになります。 「とにかくそれは希望です」とヨンジュンは言った。
Young-Joonは、人間の耳の足場を作成するプロセスを開始するようにプリンターの1つをプログラムしました。また、部屋は、プリンターからの時折の息切れだけで壊れた心地よい電子鼓動で満たされました。ワーキング。 ガラスのケースを覗き込むと 、足場が次第に小さくなっていくのが見えました 。小さく、繊細で、非常に耳に似ています。 プロセスが完了するまでに数時間かかるため、Young-Joonは私に処理する完成版を渡しました。 軽かった。 それは蝶のように私の手のひらの上に置いた。
耳の外部構造は、より複雑な構造への足がかりとして、ウェイクフォレスト（および他の研究センター）の研究所がマスターしようとした最初の構造の1つです。 ウェイクフォレストのスタッフは、バイオプリントされた皮膚、耳、骨、筋肉を実験動物に移植し、周囲の組織にうまく成長しました。
バイオプリンティングの伝道者にとって、医療施設に出荷される3Dプリンターの数は今後5年間で2倍になると予想されています。シボレー用の交換キャブレターを注文したときと同じ方法で、身体の交換部品を注文します。
「デルのモデルと同じように考えてください」と、小児泌尿器科医で研究所のディレクターであるアンソニー・アタラは、コンピューター会社の有名な「直接」関係モデルを消費者とメーカーの間で言及しました。 私たちは研究センターの4階にあるアタラのオフィスに座っていました。 「細胞を処理したり、構造物や組織を作成したりする会社があります。 あなたの外科医は、CTスキャンと組織サンプルを取り、それをその会社に出荷するかもしれません」と彼は言いました。 1週間ほど後、臓器はFedExを介して滅菌容器に到着し、移植の準備が整います。 Presto、change-o ：あなたの新しい私の作品はオーダーメイドです。
「興味深いのは、実際の外科的課題がないことです」とアタラは言いました。 「最初に設計された組織が正しく機能することを確実にするために克服しなければならない技術的障害があります。」
皮膚、外耳、管のような気管のような「単純な」臓器で近づいています。 同時に、Atalaは次に何が起こるかを考えずにはいられません。 彼は最も楽観的に、肝臓や腎臓のように身体が機能しなくなる大きな複雑な臓器を作り出すことができる広大なバイオプリンティング業界を思い描いています。 長く、しばしば致命的な待ち時間と、臓器拒絶のリスクが常に存在するため、従来の移植を行うことができる業界は完全に時代遅れです。
それは全面的な医療革命でしょう。 それはすべてを変えるでしょう。 そして、彼が正しければ、バイオプリンターと肉質の耳、そして色とりどりの静脈と動脈を備えたウェイクフォレストがすべての始まりです。
私たち自身の壊れた断片が健康的な断片、または他の誰かの断片に置き換えられるかもしれないという考えは、何世紀も遡ります。 外科医の守護聖人であるコスマスとダミアンは、最近亡くなったエチオピアの湿原の足を、3世紀に多くのルネサンスの芸術家が描いた主題である白いローマに取り付けたと言われています。 20世紀までに、医学はついに想像力に追いつき始めました。 1905年、眼科医のEduard Zirmは、けがをした11歳の少年から角膜をうまく切り取り、45歳のチェコの農場労働者の身体に移しました。 10年後、整形外科の創始者と呼ばれることもあるハロルドギリーズirは、第一次世界大戦中にイギリス兵に皮膚移植を行いました。
しかし、主要な臓器（人間の機能に不可欠な臓器）の最初の成功した移植は、マサチューセッツ州の23歳のロナルドヘリックが双子の兄弟リチャードに健康な腎臓の1つを寄付した1954年まで起こりませんでした。慢性腎炎に苦しんでいた人。 同一のヘリック双子が同じDNAを共有していたため、ピーターベントブリガム病院（今日のブリガムアンドウィメンズ）の外科医であるジョセフマレーは、臓器拒絶の問題に終止符を打つことに気付いたと確信しました。
自伝「魂の外科」で 、マレーは勝利の瞬間を思い出した。 「ドナーの腎臓に新しく取り付けられた血管からクランプを静かに取り外したため、手術室には集合的な静けさがありました。 血流が回復すると、リチャードの新しい腎臓が充血してピンク色に変わり始めました」と彼は書いています。 「周りににやにや笑いがありました。」ヘリックと共に、マレーは私たちの生物学的近視についての重要なポイントを証明しました。これは、今日の最先端のバイオエンジニアリングの多くを推進する洞察です。
患者が外来臓器を受け入れることができるようになった免疫抑制治療とともに外科科学が進歩するにつれて、かつては手の届かないところにしか見えなかったことが現実になりました。 膵臓移植の最初の成功は1966年に、心臓と肝臓の最初の移植は1967年に行われました。1984年までに、議会は臓器適合法の全国登録を作成し、ドナー臓器が公平に分配されるように努めた国立臓器移植法を可決しました。 全国の病院では、医師はできる限り穏やかにニュースを壊しました。供給は需要を満たしていないため 、しばらく待つ必要があります。多くの場合、患者が死ぬのを待って患者の死を待っていました。リストの先頭。 この基本的な問題は解消されていません。 米国保健福祉省によると、この国だけで毎日21人が臓器を待っています。 「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いました。 「それは非常に現実的で、悲痛で、私を駆り立てました。 私たち全員が新しい修正プログラムを見つけました。」
57歳のアタラは、薄くて少し前かがみになり、茶色の髪のショックと使いやすさで、誰もが彼をトニーと呼ぶことを勧めています。 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MDと泌尿器科の専門トレーニングを取得しました。 1990年に、彼はハーバード大学医学部と2年間の交わりを受けました。 （今日、ウェイクフォレストでは、患者を見るために少なくとも週に1日は遮断しています。）ハーバード大学では、臓器提供者不足の解決策の1つが実験室での創造であると信じていた若い科学者の新しい波に加わりました。交換部品の。
彼らの最初の大きなプロジェクトには、人間の膀胱の成長を試みることでした。膀胱は比較的大きな臓器ですが、その機能は非常に単純な中空の臓器です。 彼は縫合針を使用して、生分解性の足場を手で縫い合わせました。 後に、潜在的な患者の膀胱と尿路から尿路上皮細胞を採取し、研究室で増殖させた後、細胞を構造に適用しました。 「レイヤーケーキを焼くようなものでした」とアタラは私に言った。 「一度に1つのレイヤーを作成しました。 そして、すべての細胞を播種したら、それらをインキュベーターに戻し、調理させます。」数週間以内に、現れたのは小さな白い球であり、本物とそれほど似ていません。
1999年から2001年の間に、犬に関する一連のテストの後、膀胱の機能不全を引き起こす衰弱性障害である二分脊椎に苦しむ7人の若い患者に、特注の膀胱が移植されました。 2006年、 ランセットで大々的に発表された論文で、Atalaは7年後、生体工学で作られた膀胱が非常にうまく機能していることを発表しました。 それは実験室で育てられた器官が人間に正常に移植されたのは初めてでした。 「これは、損傷した組織や臓器の交換を進める私たちの能力の小さな一歩です」と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繰り返して語った。 これは、アタラの主要な贈り物の代表例でした。 マサチューセッツ総合病院の再生医療センターのディレクターであり、ハーバード幹細胞研究所の共同ディレクターであるデビッド・スカデンは、アタラは「常に先見の明を持っていた。 彼は常に非常に大胆で、科学に注意を引く能力において非常に効果的でした。」
膀胱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高くはありませんでした。 さらに、そのような手順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場合があります。 今日、アタラが設計した膀胱は、広く使用されるための承認をまだ受けていません。 「再生医療について考えるとき、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」とアタラは私に言いました。 「 『私はこれだけの時間しか持っていないので、ほとんどの人生に最大の影響を与えるものは何か？』と考えなければなりません。」
Atalaにとって、答えは簡単でした。 移植リストの患者10人中約8人に腎臓が必要です。 最近の推定によると、彼らはドナーを平均4年半待っており、しばしば深刻な痛みを抱えています。 Atalaが臓器不足の危機を本当に解決したい場合、それを回避する方法はありませんでした。彼は腎臓に対処する必要がありました。
1980年代初頭に、プロトタイプを構築するための産業用ツールとして主に見られていたその起源から、3Dプリンティングは数十億ドル規模の産業に成長し、デザイナーシューズから歯冠まで幅広い用途の可能性があります自家製のプラスチック銃に。 （今日、電気店に行って500ドル未満でポータブル3Dプリンターを購入できます。）生物に飛躍した最初の医学研究者は、クレムソン大学の生物工学教授であるトーマス・ボーランドでした。サウスカロライナ州は、2003年に、ゲル混合物中のヒト細胞を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ました。 すぐに、アタラのような研究者たちは自分のマシンのバージョンをいじくり回していました。
Atalaにとって、バイオプリンティングの約束は、規模に関係していました。 彼は研究室で臓器を正常に成長させて人間に移植しましたが、プロセスは非常に時間がかかり、精度が不足し、再現性が低く、人為的ミスの可能性がありました。
2004年にアタラが研究所の創立所長となったウェイクフォレストでは、皮膚、骨、筋肉、軟骨、そして特に腎臓の構造の印刷の実験を始めました。 数年以内に、彼はそれを誇示するために彼の進歩に十分自信を持ちました。 2011年、アタラは、生体工学で作られた臓器の未来についてTED Talkを行いました。 プリーツのカーキとコートのストライプのボタンダウンシャツを着て、彼は臓器の不足によってもたらされる「重大な健康危機」について話しました。 彼は、イノベーションと犬の実験室の仕事が克服した医学的課題について説明しました。足場で使用するための最良の生体材料を考案し、人体の外で器官特異的な細胞を成長させ、それらを生き続ける方法を学びました。 （一部の細胞は、膵臓や肝臓の細胞のように、頑固に成長するのが難しいままでした。）
彼はバイオプリンティングについて話をし、ラボで働いている数人のプリンターのビデオを見せ、舞台で彼の後ろにいるプリンターを公開し、ピンクがかった球状のオブジェクトの作成に忙しくしました。 彼の話の終わりに向かって、彼の同僚の一人はピンク色の液体で満たされた大きなビーカーで現れました。
群衆が黙って座っている間、アタラはビーカーに手を伸ばして、ぬるぬるした特大の豆のように見えるものを引き出しました。 ショーマンシップの見事なディスプレイでは、彼はカップ状の手でオブジェクトを前方に保持しました。 「実際に腎臓は今日より早く印刷されたように見える」と彼は言った。 群衆は自発的な拍手を始めた。 翌日、通信社のAgence France-Presseは、アタラが「臓器移植に関してドナーの必要性を排除する」マシンで「本当の腎臓」を印刷したという広く普及した記事を発表しました。
未来が来ていた。
そして、そうではなかった。
実際、アタラが舞台に置いていたのは、人間の腎臓ではありませんでした。 それは不活性で、非常に詳細なモデルであり、バイオプリンティングがいつかもたらすことを望み、考えていたものの味でした。 プレゼンテーションを注意深く見ると、Atalaが彼が保持しているものが作業器官であると約束したことはないことがわかります。 それでも、批評家は、特殊効果の高品位な運動と見なしたものに飛びついた。
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な研究者であるジェニファー・ルイス（彼女の専門は血管新生組織のエンジニアリングです）は、ニューヨーカーとのインタビューでアタラを批判するようでした。 「それは誤解を招くものだと思った」と彼女は、TEDトークに言及して言った。 「私たちは人々に誤った期待をしたくありません。それはフィールドに悪い名前を与えます。」
TED Talkの余波で、Wake Forestは、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ことを強調したプレスリリースを発行しました。 彼が論争から何かを学んだかどうかを尋ねたとき、彼はそれについて直接コメントすることを拒否し、代わりに彼が特定のプロジェクトにタイムスタンプを付けることを嫌う理由を指摘した。 「私たちは患者に誤った希望を与えたくない」と彼は私に言った。
ほこりは再生医療の分野全体で研究者が直面する中心的な課題の1つをきちんと例証しました。熱意は報道、資金、リソースにつながる可能性があるため、何が可能かについて熱意を抱きたいのです。 あなたはあなたの周りの人々と次世代の科学者を鼓舞したいです。 しかし、現実的に手の届くところにあるものを偽って伝えたくはありません。
そして、大きくて複雑な臓器に関しては、この分野にはまだ道があります。 鉛筆と紙で座ると、人間の腎臓よりも建築的または機能的に複雑なものを想像することはほとんどできません。 拳サイズの臓器の内部は、直径0.010ミリメートルという小さな血管の複雑な高速道路システムと、健康な体液を送り返すネフロンと呼ばれる約100万個の小さなフィルターで構成される固形組織で構成されています血流と尿の形で膀胱に排出されます。 腎臓をバイオプリントするには、機能している腎臓の細胞とネフロンだけでなく、臓器を培養し、導入できる必要があります。また、臓器に血液と栄養分を供給し続けるために、血管に臓器を配置する方法を習得する必要がありますが必要だ。 そして、すべてを完全に構築する必要があります。
多くの研究者が、これらの構造をゼロから印刷するのではなく、すでに自然に設計されたものを使用しようとするオプションを模索している理由です。 ヒューストンのテキサスハートインスティテュートでは、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、脱細胞化したブタの心臓、つまり化学浴で筋肉や他のすべての生体組織細胞を剥ぎ取った臓器を実験しています。基礎となるコラーゲンマトリックス。 脱細胞化された器官は青白く、幽霊のようなものです。それは、グロースティックに似ていて、かつてグローになった溶液から排出されたものです。 しかし、決定的に重要なことは、このプロセスにより、臓器の内部構造、脈管構造、およびすべてが残されることです。
テイラーは、いつか、ヒト患者の移植のために、ヒト細胞が再増殖した脱細胞化ブタ心臓を使用することを望んでいます。 これまでのところ、彼女のチームは心臓に生きたウシ細胞を注入し、牛に挿入しました。そこで、牛の元の健康な心臓と一緒に、鼓動と血液の送り出しに成功しました。 テイラーにとって、このアプローチは、血管ネットワークが必要とする非常に優れた解像度で印刷する方法を見つけるという課題を回避します。 「技術は、腎臓または心臓をバイオプリントし、血液を採取し、それを維持する前に、大幅に改善する必要があります」とテイラーは言います。
ウェイクフォレストの研究者は、動物と人間の死体の両方からの脱細胞化器官の実験も行っています。 実際、アタラは代替腎臓を自分の聖杯と見なしていますが、腎臓を構築することはさまざまな角度から行われる漸進的なプロセス以外のふりをしません。 そのため、研究所や他の場所の研究者は、臓器の外部構造と内部構造の印刷の改良に取り組んでいますが、血管を印刷して成長させるさまざまな方法も実験しています。 同時に、患者の健康な組織の生検から採取した腎細胞を増殖させる新しいプロジェクトなど、すべての機能に必要な生きた腎細胞を培養するためのホーニング技術です。
私たちが話したとき、アタラは、臓器がバイオプリントされているかどうかに関係なく、機能し、設計された大きな臓器を、それを必死に必要とする人間にすることです。 「そこに到達するために必要なテクノロジーが何であれ」と彼は言いました。
しかし、彼はそこに到達する方法が重要ではないことをすぐに指摘しました。最終的には、次の数十年または22世紀のいずれにせよ、誰もいないことを保証する業界の基盤を築きたいと思います。あなたの楽観主義のレベル-命を救うオルガンが再び必要になるでしょう。 それをするために、あなたは手でそれに行くことができません。
「同じタイプのオルガンを何度も何度も作成できるデバイスが必要です」とアタラは言いました。 「まるで機械で作られたかのように。」
ある午後、私は研究所の准教授であるジョン・ジャクソンの机に立ち寄った。 63歳のジャクソンは、貿易による実験血液学者です。 彼は4年前にウェイクフォレストに来て、すべての次世代技術を備えた研究所への移動を「再び学校に戻る」と例えました。
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ように設計された皮膚細胞プリンターの開発を監督しています。 「皮膚に怪我があるとしましょう」とジャクソンは提案しました。 「その傷をスキャンして欠陥の正確なサイズと形状を取得し、欠陥の3D画像を取得します。 その後、ハイドロゲルで成長した細胞を「傷に合わせて必要な正確な形状で」印刷できます。現在、プリンタは、治療に十分な深さの皮膚の2層に組織を置くことができます。癒すために-ほとんどの火傷。 将来的には、研究室では、皮膚の表面よりも深く印刷し、脂肪組織や根の深い毛包など、より複雑な皮膚の層を印刷したいと考えています。
ジャクソンは、FDAの承認を待って、今後5年間で臨床試験を開始できると推定しました。 その間、彼のチームは豚のスキンプリンターのテストに忙しかった。 彼はパネルに分割された大きなポスターをスクロールしました。 最初は、技術者が豚の背中を切り取った、片側約4インチの正方形の傷の詳細な写真でした。 （ブタは全身麻酔下に置かれていました。）その同じ日に、研究者たちは細胞を傷の上に直接印刷しました。これには約30分かかりました。 印刷後の写真では、色とテクスチャーの不一致を確認できました。この領域は、自然の豚の肉よりも灰色で鈍い部分でした。 しかし、パッカリングはほとんどなく、隆起または隆起した瘢痕組織はなく、やがて、ゲルは多少なりとも完全に周囲の皮膚に溶け込みました。
皮膚細胞プリンターは、最近の戦争で負傷したアメリカ兵の間で風土病である顔面および生殖器の損傷に対する組織再生イニシアチブを含む、米国国防総省から資金を受け取る研究所でのいくつかの活発なプロジェクトの1つです。 昨年、アタラ率いる研究者たちは、マイヤー・ロキタンスキー・キュースター・ハウザー症候群と呼ばれるまれな生殖障害に苦しむ4人のティーンエイジャーに、患者自身の細胞を使用して設計された膣の移植に成功したことを発表しました。 Wake Forestは、今後5年間で人間による試験を開始することを期待して、実験室で成長した脱細胞化した死体のペニスと肛門括約筋の動物実験も行っています。
「サイバースペース」という用語を生み出し、デジタル革命の大部分を予見した、未来派のウィリアム・ギブソンによる新しい小説であるペリフェラルは、人間が必要なものを「ファブ」、本質的には3Dプリントできるときに起こります：薬物、コンピューター、衣服。 彼らは彼らの想像力によってのみ制約されています。 ジャクソンのポスターをひっくり返しながら、ギブソンでさえこれを予測していなかったと思いました。
私はアタラのオフィスに歩いて行きました。 太陽の光が床と背の高い本棚に飛び散り、アタラの2人の幼い息子の写真と彼の教科書「再生医療の原理」のコピーが表示されました。
彼は朝ずっと手術室にいました（彼は医学部の泌尿器科の会長でもあります）、夜遅くまで帰宅することを期待していませんでしたが、彼は元気で元気になりました。 私は彼に彼の練習を放棄し、研究だけに集中することを考えたことがあるかどうか尋ねました。
彼は頭を振った。 「一日の終わりに、私は患者の世話をするために医学に行きました」と彼は言いました。 「私は家族や患者とその関係を持つことが大好きです。 しかし同様に重要なことは、それが私にニーズが何であるかと連絡を取り続けていることです。 その必要性をじかに見た場合、問題に顔を当てることができれば—ええと、私はそれを解決し続け、理解しようとし続けることを知っているからです。」
