「約200倍迅速化」３Dバイオプリンター医薬品開発

薬会社が新薬を開発するためには、15年の歳月と26億ドルの費用がかかります。カリフォルニア大学サンディエゴ校のナノ工学者が開発したハイスループット・バイオプリンティング技術を使えば、大幅に時間削減ができます。

It would enable drug developers to rapidly build up large quantities of human tissues on which they could test and weed out drug candidates much earlier.

参照元：https://jacobsschool.ucsd.edu/news/release/3290
– カリフォルニア大学サンディエゴ校 University of California San Diego. June 8, 2021 –

カスタムメイドの生体組織を大量に迅速に作成する3Dプリンタは、医薬品開発の迅速化と低コスト化に役立つ可能性があります。

カリフォルニア大学サンディエゴ校のナノ工学者が開発したハイスループット・バイオプリンティング技術は、記録的な速さで3Dプリントを行い、96ウェル配列の生体組織サンプルを30分以内に作成することができます。

このようなサンプルを迅速に作成できるようになれば、前臨床試験におけるハイスループットの薬剤スクリーニングや疾患モデルの作成が加速される可能性があると、研究者らは述べています。

製薬会社が新薬を開発するためには、15年の歳月と26億ドルの費用がかかります。

一般的には、試験管の中で何万もの薬の候補をスクリーニングすることから始まります。

その後、動物実験を行い、合格したものは臨床試験に進みます。

運がよければ、これらの候補のうちの1つが、FDAの承認を受けた医薬品として市場に出回ることになります。

カリフォルニア大学サンディエゴ校で開発されたハイスループットの3Dバイオプリンティング技術は、このプロセスの最初のステップを加速させることができます。

この技術を使えば、医薬品開発者は、大量のヒト組織を迅速に作成して、その上で医薬品候補をテストし、より早い段階で淘汰することができます。

カリフォルニア大学サンディエゴ校ジェイコブス・スクール・オブ・エンジニアリングのシャオチェン・チェン教授（ナノエンジニアリング）は話します。

「人間の組織を使えば、薬がどのように作用するかについて、より良いデータ、つまり本物の人間のデータを得ることができます。私たちの技術は、ハイスループット、高い再現性、高精度で組織を作ることができます。この技術は、製薬業界が最も有望な医薬品を迅速に特定し、集中的に開発するのに非常に役立つでしょう。」

この研究成果は、Biofabrication誌に掲載されました。

研究者たちは、この技術によって動物実験をなくすことはできないかもしれないが、動物実験の段階で発生する失敗を最小限に抑えることができると述べています。

チェン教授の研究室の博士研究員で、本研究の第一著者であるShangting You氏は話します。

「私たちが開発しているのは、実際の人間の組織により近い複雑な3D細胞培養システムであり、これによって医薬品開発の成功率が向上することを期待しています。」

この技術は、血管網を含むヒトの肝臓がん組織など、複雑で微細な特徴をもつ生き生きとした構造物を印刷するという解像度だけでなく、スピードの点でも、他の3Dバイオプリンティング法に匹敵するものです。

従来の方法では数時間かかっていた同じサンプルの印刷が、チェン氏の技術では10秒ほどで完了します。

また、工業用のウェルプレートに直接サンプルを自動印刷できるというメリットもあります。

これにより、スクリーニングのためにサンプルを印刷プラットフォームからウェルプレートに1つずつ手作業で移す必要がなくなりました。

チェン氏は話します。

「これを96ウェルプレートに拡大すると、従来の方法では少なくとも96時間とサンプルの移動時間が必要だったのに対し、当社の技術では合計30分程度と、時間の節約に大きな差が出ます。」

再現性の高さも、この研究の重要な特徴です。陳教授の技術で作られた組織は、高度に組織化された構造をしているため、工業規模のスクリーニングのために簡単に複製することができます。

チェン氏は話します。

「これは、薬物スクリーニングのためにオルガノイドを培養するのとは異なるアプローチです。オルガノイドでは、さまざまな種類の細胞を混ぜ合わせ、自己組織化させて3次元構造を形成させますが、これはうまくコントロールできず、実験ごとに異なる可能性があります。そのため、同じ性質、構造、機能を再現することができないのです。しかし、私たちの3Dバイオプリンティングのアプローチでは、異なる種類の細胞をプリントする場所、量、マイクロアーキテクチャーを正確に指定することができます。”」

組織サンプルを印刷するために、研究者たちはまず、コンピューター上で生体構造の3Dモデルを設計します。

このデザインは、医療用スキャンデータからも作成できるので、患者の組織に合わせてカスタマイズすることができます。

次に、コンピュータがモデルを2次元のスナップショットにスライスし、それを数百万個の顕微鏡サイズのミラーに転送します。

各ミラーはデジタル制御され、細胞に安全な波長405ナノメートルの紫色の光のパターンを、スナップショットの形で投影します。

この光のパターンは、生きた細胞の培養液と、光を当てると固まる光感受性ポリマーを含む溶液に照射されます。

この構造は、1層ずつ連続的に高速印刷され、成長して生体組織となる生きた細胞を内包した3D固体ポリマーの足場が形成されます。

このプリンターの高速性を支えているのが、デジタル制御されたマイクロミラー・アレイです。

マイクロミラーアレイは、2次元のパターン全体を基板に投影しながら層ごとに印刷するため、ノズルやレーザーを使って層ごとにスキャンする他の印刷方法に比べて、はるかに高速に3D構造体を生成することができます。

チェン教授の研究室に所属するナノ工学博士課程の学生で、本研究の共同執筆者でもあるヘンリー・ホワン氏は話します。

「例えて言えば、鉛筆で図形を描くのとスタンプで描くのとの違いを比較してみてください。鉛筆の場合は、形が完成するまで一本一本線を引いていかなければなりません。私たちの技術では、デジタル・マイクロミラー・デバイスがそれにあたります。スピードが桁違いに違います。」

今回の研究は、チェンのチームが2013年に発明した3Dバイオプリンティング技術をベースにしています。

この技術は、再生医療用の生体組織を作るためのプラットフォームとして開発されました。

過去のプロジェクトでは、肝臓組織、血管網、心臓組織、脊髄インプラントなどを3Dプリントしています。

近年、チェン教授の研究室では、この技術の用途を拡大し、海洋学者が藻類の成長を研究したり、サンゴ礁の修復プロジェクトを支援するために、サンゴにヒントを得た構造物をプリントするようになりました。

今回、研究者たちは、ハイスループットの組織プリントを行うために、この技術を自動化しました。

カリフォルニア大学サンディエゴ校のスピンオフ企業であるAllegro 3D, Inc.は、チェン氏と彼の研究室のナノ工学博士課程の卒業生であるWei Zhu氏が共同で設立した会社で、この技術のライセンスを取得し、最近、商業製品を発売しました。