宇宙は人間の臓器を育てるのに最適な場所かもしれない

3Dプリンターは、今ではキャンディー、衣類、さらにはマウスの卵巣までも組み立てている。しかし、今後10年以内には、特殊なバイオプリンターが宇宙で機能する人間の臓器を製造し始めるかもしれない。宇宙の最小重力状態は、重力の重い地球よりも臓器の製造に理想的な環境である可能性があることが判明した。

宇宙でプリントされた臓器が成功すれば、移植待ちリストを短縮し、臓器拒絶反応をなくすことにも役立つ可能性がある。まだ道のりは長いが、国際宇宙ステーション（ISS）の研究者たちは、最終的には幹細胞を含む成人のヒト細胞から臓器を組み立てたいと考えている。

医療分野、特に再生医療や人工装具などの生物医学分野では、3D プリントが一般的に受け入れられるようになったのはごく最近のことです。これまで、これらのプリンターは、バイオインク (生体細胞やその他の組織で構成された物質で、成長中の臓器を取り巻く自然環境を模倣する) の層を何度も繰り返して印刷することで、血管、骨、さまざまな種類の生体組織の初期バージョンを生成してきました。

科学者たちはすでに、ミニ肝臓モデルや肺のような気嚢など、臓器の前段階の簡単な構造を印刷している。しかし、現時点では、これらのモデルのほとんどは直立したままでいるのに苦労している。

最近、研究者たちは、地球は自立型臓器を育てるのに最も適した環境ではないかもしれないと気づき始めています。重力は、これらの繊細な組織が成長するにつれて常に下向きに押し下げるため、研究者は組織を足場で囲まなければなりません。これにより、繊細な静脈や血管が弱まり、間もなく臓器になる組織が適切に成長して機能するのを妨げることがよくあります。しかし、微小重力下では、軟組織は周囲のサポートを必要とせずに自然に形を保ちます。この観察結果が、研究者を宇宙へと駆り立てたのです。

インディアナ州に拠点を置く製造研究所は、自社の技術が宇宙で重要な役割を果たす可能性があると考えている。3Dバイオファブリケーション施設（BFF）は、バイオインクを使用して人間の髪の毛より数倍薄い層を造る特殊な3Dプリンターである。建設費は約700万ドルで、現存する最小のプリントチップを使用している。

宇宙飛行機器開発企業Techshotと3Dプリンター製造企業nScryptの共同開発によるBFFは、2019年7月にSpaceX CRS-18に搭載されてISSに向かいました。

現在、このプロジェクトは、人工心臓組織をどんどん厚くして地球に持ち帰ることに焦点を置いています。印刷された心臓組織が一定の厚さに達すると、研究者にとって、印刷された構造の層が互いに効果的に成長していくことを保証することが難しくなります。しかし、最終的には、臓器が完全に形成された状態で地球に到着することを望んでいます。

印刷された臓器が適切に機能するには、最終的には血管と神経終末が必要になるが、その技術はまだ存在していない。

次の段階である心臓パッチの顕微鏡下および動物でのテストは、今後 4 年かかる可能性があります。臓器全体については、Techshot は 2025 年以降に生産を開始する予定であると主張しています。現時点では、このプロジェクトはまだ初期段階です。

「私たちが印刷したものを見れば、とても控えめに見えます」と、テックショットの企業開発担当副社長リッチ・ボーリング氏は言う。「これは単なる直方体型、長方形の箱です。私たちは細胞を層ごとに成長させようとしているだけです。」

パンケーキのように臓器を「調理」する

製造工程をパンケーキを焼くことに例えてください、とボーリング氏は言います。宇宙飛行士はまず、地球から送られてきた細胞を使ってカスタムバイオインク「パンケーキ」ミックスを作成し、それを注射器のような道具で BFF に詰め込みます。

次に研究者らは、栄養の供給や老廃物の排出など、健康な組織の成長に不可欠な通常の身体機能を模倣したシステムであるバイオリアクターを内蔵したカセットを BFF に挿入します。

約 200 マイル下のインディアナ州グリーンビルでは、Techshot のエンジニアが NASA 対応の安全なデジタル パスウェイで ISS の宇宙飛行士と接続しています。この接続により、Techshot はポンプの圧力、内部温度、照明、印刷速度などの BFF 機能をリモートで制御できます。

次に、バイオリアクター内で実際の印刷プロセスが行われます。形状の複雑さに応じて、数分から数時間かかります。最終製造ステップでは、細胞培養の ADvanced Space Experiment Processor (ADSEP) が理論上のパンケーキを「調理」します。基本的に、ADSEP は印刷された組織を地球への帰還に備えて強化します。このステップは、組織の種類によって 12 日から 45 日かかります。完了して硬化すると、構造物は地球に向かいます。

研究者たちはこれまで3回のテストプロセスを経ており、そのたびに精度が高まっている。今年3月には、3回目の実験を開始する予定だ。

バイオプリンターの宇宙開発競争

ボーリング氏によると、BFF ラボは、この特殊なタイプの微小重力バイオプリンターを開発している唯一のチームだ。しかし、宇宙で人間の臓器を印刷しようとしているのは、彼らだけではない。

ロシアのプロジェクトもバイオプリンティングの宇宙開発競争に参入しているが、その技術は大きく異なっている。BFF のバイオインク積層法とは異なり、ロシアのバイオテクノロジー研究所 3D Bioprinting Solutions は磁性ナノ粒子を使用して組織を生産している。電磁石が磁場を作り出し、その中で浮遊する組織が目的の構造を形成する。まるで SF 小説から切り取ったような技術である。

これは、宇宙で肉を印刷した悪名高いロシアの医療会社によって設立されたBFFのような商業ベンチャーです。ロシアのチームは、2014年3月に甲状腺を組み立ててマウスに移植することに成功し、歴史を作りました。

2018 年 10 月の宇宙船の墜落事故でバイオプリンターが故障した後、3D バイオプリンティング ソリューションズは復活を遂げ、現在は ISS で米国およびイスラエルの研究者と共同研究を行っています。先月、同社の乗組員は宇宙でバイオプリントされた初の骨組織を作成しました。米国のプロジェクトと同様に、3D バイオプリンティング ソリューションズは、移植や一般的な修復のために機能する人間の組織や臓器の製造を目指しています。

「それを実行する技術があるからといって、それを実行すべきでしょうか？」

3D バイオファブリケーション施設が機能する人間の臓器の印刷で成功した場合、それらは地球上で徹底的な規制を受けることになる。米国の承認プロセスはどんな薬に対しても厳格であり、この前例のない発明には課題があるとリッチ・ボーリング氏は言う。テックショットは、宇宙で印刷された臓器が法的に承認されるまでに少なくとも 10 年かかると予測しているが、これは不正確な見積もりである。

規制当局の承認と同時に、微小重力下で印刷された人体組織は社会的な反発に遭遇する可能性がある。

各国は医療移植に関するさまざまな法律を維持しています。しかし、バイオエンジニアリングが最終フロンティアへと進むにつれ、国際的な科学研究コミュニティは、星間の協力のための新しいガイドラインを策定する必要があるかもしれません。

「今後数年間、低軌道の商業化が加速するにつれ、それに適用される規制を非常に綿密に検討する必要があるのは確かです」と国際宇宙ステーション米国立研究所暫定主任科学者マイケル・ロバーツ氏は言う。「そして、それらの規制の一部は倫理に関する問題にまで及ぶでしょう。技術があるからといって、それを実行すべきなのでしょうか？」

エディンバラ大学の科学技術とイノベーション研究の講師であるニキ・ヴァーミューレン氏は、3Dバイオプリンティング実験の社会的影響について研究している。地球上の他のプロジェクトと同様に、彼女は科学者に対し、プロセスの早い段階で人々の期待を高めすぎないようにと促している。臓器移植を希望する人々は、BFFについてオンラインで読み、それがすぐに自分のニーズを満たす準備ができるかもしれないと考えるかもしれないからだ。

「今、最も重要なのは、期待の管理だと思います」とヴァーミューレン氏は言う。「なぜなら、これを実行するのは本当に難しいですし、もちろんうまくいくかどうかもわかりません。うまくいけば素晴らしいことです。」

もう一つの大きな問題はコストだ。他の最先端のバイオテクノロジーの革新と同様に、臓器も大きな経済的負担を強いられる可能性があると彼女は言う。テックショットは、拒絶反応抑制薬や複数回の移植に一生を費やす必要がある人もいるため、宇宙でプリントされた臓器 1 個のコストは実際には人間のドナーからのものよりも安い可能性があると主張している。しかし、従来のドナールートと比較して、BFF プロセスが実際にどのくらいの時間がかかるかは現時点では不明だ。

さらに、移植を受ける人の健康にも潜在的なリスクがある。テックショットの主任科学者ユージン・ボーランド氏は、細胞操作には常に遺伝子変異の可能性があると語る。例えば、改変された幹細胞は移植を受ける人にがんを引き起こす可能性がある。

チームは現在、危険性を特定し、最小限に抑えることに取り組んでいると彼は言う。BFF 実験は、FDA の「ヒト細胞、組織、および細胞・組織ベースの製品」に関する特定の規制に準拠している。

現地の研究者たちは現在、ヒト細胞の操作を完璧にしたいと望んでいる。現在、米国では 100 件を超える臨床試験で培養された自己ヒト細胞がテストされており、数百件では複数の起源を持つ培養された幹細胞がテストされている。

次に何が起こるか

今年 3 月に次の印刷テストを実施した後、Techshot は、軟骨、骨、肝臓組織などの材料の印刷を検討している企業や研究機関にバイオプリンターを提供する予定です。ボーリング氏によると、現在、バイオプリンターをこれらの追加用途向けに準備しており、医療全体を進歩させる可能性があるとのことです。

宇宙飛行士の作業をスピードアップするため、テックショット社は現在、軌道上で複数の細胞タイプを生産する細胞工場を建設中です。この技術により、地球と宇宙間の細胞輸送回数を削減できる可能性があります。

ロシアに拠点を置く3Dバイオプリンティングソリューションズも同様に、中核プロジェクトを開発しながら、企業や大学に機器を販売する計画だ。

マイケル・ロバーツ氏によると、ISS は近年多くの商業ベンチャーを受け入れており、混雑しつつあるという。宇宙での実験は 40 年から 50 年前に急増したが、最近まで主に衛星通信と遠隔観測技術が優先されていた。それ以来、衛星はバスほどの大きさから靴箱よりも小さくなった。

ロバーツ氏は、過去 10 年間で科学の関心領域が広がり、医療も含まれるようになったことを目の当たりにしてきた。国立衛生研究所などの組織は現在、治療法の改善に宇宙に目を向けており、大手製薬会社から小規模の新興企業まであらゆる企業が参入を望んでいる。

「あそこのあらゆる表面に何かがくっついている」と彼は言う。

ロバーツ氏は、ISS のスペースと外部接続ポイントが不足するにつれて、商業ベンチャーが製造や植物栽培などの特定の活動のための新しい施設を建設するようになるだろうと予測している。ISS はもともとより一般的な目的のために設計されたため、彼はこれをさらなる革新のための良い機会と見ている。

宇宙は全体として、最初の探査時代とはかなり違った様相を呈し始めるかもしれない。

ベビーブーマー世代は、50年前の粗い白黒の月面着陸をちらりと見たのを覚えているかもしれない。同じ生涯のうちに、宇宙でプリントされた臓器の導入を目にすることになるかもしれない。