【ITニュース解説】How 3D Bioprinting and Stem Cells Could Transform Spinal Cord Injury Recovery?

脊髄損傷は、脳と体を結ぶ重要な神経の通り道である脊髄が傷つくことで、運動機能や感覚機能に深刻な障害をもたらす。一度切断された神経は自然に再生することが非常に難しく、麻痺の根本的な治療法は長年確立されてこなかった。この医療における大きな課題に対し、最先端のIT技術である3Dプリンティングと、再生医療の核となる幹細胞技術を融合させた画期的な研究が発表され、麻痺治療の未来に新たな光を当てている。

この研究の核心は、損傷した神経をいかにして再びつなぎ合わせるかという点にある。従来、神経の再生を促すために幹細胞を移植する試みは行われてきたが、移植した細胞が損傷部位で生き残り、正しい方向に成長して目的の神経と接続することは極めて困難であった。細胞が成長するための適切な「足場」がなく、無秩序に拡散してしまったり、機能的なネットワークを再構築できなかったりするためだ。この問題を解決するために、ミネソタ大学の研究チームは、3Dバイオプリンティング技術を用いて、神経細胞が成長すべき道筋を精密にデザインした「足場」を作り出すアプローチを採用した。

3Dバイオプリンティングとは、コンピューターで設計された三次元のデータをもとに、細胞や生体適合性のある材料をインクのように一層ずつ積み重ね、立体的な組織や構造物を作り出す技術である。一般的な3Dプリンターが樹脂や金属を使うのに対し、バイオプリンターは生きた細胞やゲル状の材料を扱う点が特徴だ。研究チームは、この技術を応用し、シリコン製の微細なガイド構造を持つ足場を作製した。この足場は、移植された神経細胞が脊髄の上下方向に沿ってまっすぐに伸びていくためのレールのような役割を果たす。

そして、この足場に組み込まれるのが幹細胞である。幹細胞は、様々な種類の細胞に変化する能力を持つ特殊な細胞だ。研究では、患者自身の皮膚細胞などから作製できるiPS細胞（人工多能性幹細胞）を利用した。iPS細胞から神経細胞の元となる神経幹細胞を作り出し、これを3Dプリントされた足場に埋め込む。患者自身の細胞を用いることで、移植後の拒絶反応のリスクを大幅に低減できるという大きな利点がある。この神経幹細胞が埋め込まれた足場を、脊髄を損傷したラットの患部に移植する実験が行われた。

実験の結果は驚くべきものであった。足場に沿って成長を始めた神経細胞は、損傷によって生じた隙間を越えて伸び、切断されていた上下の神経組織と機能的につながることに成功した。足場という物理的なガイドが存在することで、神経細胞は迷うことなく正しい経路をたどり、神経ネットワークの再構築を成し遂げたのである。その結果、移植手術を受けたラットは、失われていた歩行能力などの運動機能を大幅に回復させることができた。これは、3Dバイオプリンティングによる精密な構造設計が、再生医療において決定的に重要な役割を果たすことを証明した瞬間であった。

この研究成果の意義は非常に大きい。第一に、これまで不可能とされてきた中枢神経系の再生に、具体的な道筋を示した点である。3Dプリンティングというデジタル技術によって、マイクロメートル単位で細胞の成長環境を制御し、生命の複雑なシステムである神経回路の修復を可能にした。第二に、患者自身の細胞を用いる個別化医療の可能性を広げたことだ。将来的には、患者一人ひとりの損傷状態に合わせてカスタマイズされた足場を3Dプリントし、その患者の細胞から作った神経細胞を移植するという、オーダーメイドの治療が実現するかもしれない。

この技術は、脊髄損傷だけでなく、パーキンソン病やアルツハイマー病といった、神経細胞の喪失が原因で起こる他の神経変性疾患の治療にも応用できる可能性がある。IT技術、特にデジタルファブリケーションの進化が、これまで治療が困難であった医療分野にブレークスルーをもたらす好例と言える。コンピューター上の設計データが、生体組織の再生という物理的な現実を変えるこの技術は、情報技術が持つ無限の可能性を改めて示している。