著者らは開示するものは何もない。

組織工学への実験的アプローチ

私の名前はアリ・カマシで、現在ハーバードMITの健康科学・技術部門の助教授です。また、ハーバード大学医学部、特にハーバード大学医学部の関連会社であるブリガム・アンド・ウィメンズ病院と共同で任命しています。また、私の研究分野はマイクロスケールの組織工学とバイオームの分野です。ですから、私の学問的なバックグラウンドはどちらかというと、最初は化学工学から始めました。私はトロント大学で化学工学の学士号を取得し、その後、より生物学志向の工学に非常に興味を持つようになりました。そこで、トロント大学で生物医学工学の修士号を取得し、特に幹細胞の分化に取り組みました。その後、MITに来て、ロバート・ランガー教授のもとでバイオエンジニアリングの博士号を取得しました。その後、数ヶ月のポスドクを経て、現在のポジションに加わりました。私たちが注力している研究分野は、生物学、工学、材料科学の接点にあります。ですから、私たちがやろうとしていることは、生物生物学者が長い間答えを出そうとしてきた問題に取り組もうとすることですが、新しい技術や新しい視点を取り入れることで、これまで不可能だった方法でそれを実現しようとすることです。そして、私たちが対処しようとしている主要な医学的問題の1つは、実際にはこの臓器の不足です。移植可能な3次元臓器をどのように作製すれば、臓器治療医のような臓器が明らかに不足しており、多くの患者が移植可能な臓器を必要とし、膨大な待機リストが存在することになります。ですから、私たちや組織工学の分野の人々がやろうとしていることの一つは、人工組織を作ることができるアプローチを生み出そうとすることです。同じ概念に沿って、現在存在する主要な問題の1つは、創薬や新薬の発見においても、体外の組織を表すより良いモデルをどのように作成し、薬物や化学物質をテストし、これらの種類の組織にどのような影響を与えるかを確認することです。そして、それが適切に行われるようになれば、どの薬が実際に効果的になるのか、より予測的な行動をとることができるようになるのです。ですから、承認後の薬のリコールや副作用がなく、より良い創薬プロセスを持つことができます。マイクロ流体デバイスは、私たちがマイクロスケール技術と呼ぶもののサブセクションです。そして、このマイクロスケールの技術では、私、多分、そこから何が始まるのかを説明します。彼らがやろうとしていることは、生物学的組織や生物学的システムの複雑さを模倣しようとすることです。つまり、ほとんどの細胞は約数十マイクロメートルです。そして、その次元の細胞を真に理解するためには、細胞が何を見て、細胞が何を感じるのかを、10マイクロメートルよりはるかに小さいものから10マイクロメートルを超えるものまでの長さスケールで操作できる技術が必要です。ですから、個々の細胞を持つことができ、その周囲を操作することができます。ですから、マイクロ流体工学のようなシステムによって、細胞に可溶性因子がどのように送達されるかを非常に厳密に制御することを試みることができます。例えば、マイクロ流体チャネルを持ち、そこにケモカインや成長因子、サイトカインなどの濃度勾配を生成することができます。そして、それが今私たちに可能にしているのは、正常な発生中に起こることを模倣しようとすること、または生物全体に濃度勾配がある生物系内で起こることを模倣しようとすることです。では、マイクロ流体システムを使えば、このような生物学的な複雑さを非常に迅速に制御された方法で生成し、このような濃度勾配や生物学的、空間的に指向されたシグナルにさらされた細胞の挙動を直接分析することができます。組織工学は、おそらく20年か30年ほど前に、移植可能な細胞を使用し、それらを材料と融合させて、より優れた3次元組織を作ろうとするアイデアから始まりました。ですから、非常に多孔質の構造です。そして、これらのフォームに細胞を播種します。ですから、細胞がこの泡の中を動き回ると、特定の場所に定着し、時間が経つにつれて、細胞は自分自身の生物学的マトリックスを沈着し始めます。また、これらの材料は生分解性であるため、材料は時間の経過とともに劣化し、完全に生物学的な組織が残ります。そして、このアプローチは、軟骨のような単純な臓器に特に役立っています。また、人工皮膚など、実際にFDAの承認を受けたものもあります。ですから、臨床的に実行可能だったのです。このアプローチが潜在的により多くの助けを必要とするのは、心臓や肝臓のような、非常に制御された細胞細胞相互作用と非常に制御された複雑さと構造がミクロスケールで実際に行われているような、より複雑な構造に関してです。ティッシュエンジニアリングの当初のアイデアの1つは、細胞を置くと、細胞が再配置され、正常な体に見られる複雑さの一部を実際に生成するというものでした。しかし、それはある程度は起こりますが、すべてが起こるわけではありません。つまり、組織工学的な器官は、微細構造レベルでは、真に天然の生体組織とは異なるのです。それは、細胞が発達中、発生中、発生中に完全に組み立てられるようには、細胞が自分自身を組み立てないからです。ですから、私たちがやろうとしていることは、ミクロスケールとミクロスケールでの移動組織工学に関して、この複雑さを捉え直そうとすることです。では、どうすればいいのでしょうか?では、私たちが生み出したい複雑さとは何でしょうか?そうですね、その一つは、血管新生組織は非常に血管性であり、それが組織に酸素や栄養素、その他の必要なものを供給することです。そのため、現在、組織の大きな構造を実際に操作し、すべての細胞に適切な量の栄養素と酸素を供給することは非常に困難です。マイクロスケール技術によって可能になることの1つは、実際には、3次元構造でマイクロ血管系を直接操作できる可能性があることです。マイクロスケール技術によって可能になるもう一つのことは、この3次元構造内で異なる細胞タイプがどのように相互作用するかを制御しようとすることです。ですから、特定の構造の細胞タイプを持ち、その隣に体内と同じように二次的な細胞タイプを持ちたいと思うかもしれません。そして、マイクロスケールの技術を使えば、体内に存在するこのような幾何学や複雑さを、私たちの3次元構造の中で捉え直すことができます。ですから、必ずしも彼らが足場の内側で直接自己組み立てることを願う必要はありません。いくつかの課題があります。組織をどのように操作するかに関する主な課題の1つは、たとえ3次元の組織を作るとしても、それを機能させたいと考えており、正常組織が行うさまざまな機械的および生化学的代謝機能があり、これらの組織操作された臓器は、次のことを行う必要があります。 基本的に再捕獲して模倣すること。ですから、現在問題となっているのは、多くの組織工学器官が本来の生物学的性能を下回っていることです。そして、問題の一部は、現在使用している材料の種類に関して、必ずしもさまざまな用途に最適化されているわけではないことです。そして、私たちは、現在、私たちは現在、開発の生物学と創傷治癒の生物学をよりよく理解する必要があります。これにより、これらの3次元の足場内の細胞が実際に体内で正常な発達中や正常な創傷治癒を行うことができる条件を再現することができます。 ご存知のように、開発された組織です。そして、生物学はまだ探求され、開発されています。つまり、それは生物学であり、もう一つはより優れた材料です。そして最後に、大きな問題はやはり細胞源だと思います。だからこそ、私たちの体細胞は、成体幹細胞が、潜在的に生存可能な細胞源となる可能性があるのですから、代替の細胞源を探ることが本当に重要なのです。また、胚性や新しいアプローチなど、皮膚細胞や他の細胞を使って、非常に原始的な細胞を手に入れ、その分化を指示し、生存可能な細胞源を得ることができるという新しいアプローチも行われています。ですから、これら3つの主要な問題、つまり、より良い材料、生物学をよりよく理解すること、そして今後5年以内により良い細胞源を得ることだと思います。これらのマイクロスケール技術を生物学者と組織工学者の両方に広く適用できるようにするために、多くの変更が加えられるでしょう。今では、生物学を研究し、マイクロスケールの分解能で組織を作製することがいかに重要であるか、多くの人が気づいていると思います。そして、今後数年間は、非常に、ご存じの通り、継続的なトレンドになると思います。そして、もう一つの側面は、臨床医であろうと、FDAであろうと、その他の規制当局であろうと、最終製品の人々と、基本的にはビジネスマンとの間に、より多くの相互作用が生じることだと思います。ですから、これらの存在との相互作用がますます増え、基礎研究者が実際に戻って、開発された科学の一部を商業化する際の主要な問題は何かを見ようと試みるでしょう。そして、どうすれば安全で倫理的に責任ある方法でそれを行うことができるかを考えています。ですから、科学的には、まだ大きな進歩が待っていると思いますが、他のものに関しては、まだ多くのものが作られるでしょうし、少なくとも5年はかかると思いますが、最初の数歩から、次の10年、15年で、これらの技術のいくつかが面白くなる時期です。 具体的には、組織工学とITの両方に関して、これらの技術を創薬アッセイなどに応用することであり、それが実際の、現実世界のアプリケーションでどのように使用されるかは、どの臓器について話しているのか、どのようなアプリケーションについて話しているのかによって大きく異なります。明らかに、人工組織の最初の、そして最も明白な応用は、創薬分野や診断分野において、体外の組織培養でより良い生理学的モデルを得て、それらを分析したり、生物学をよりよく理解するために調査したり、理解するために調査したりできるようにすることです。 効果的な化学物質や薬品です。そして、その分野では、主要な課題は、天然の組織をできるだけ完全に模倣したものを手に入れることだと思います。そうすれば、もしあなたの組織構成物が何かが有毒であると言った場合、それを動物に入れればそれがそれになるという非常に自信を持つことができます。 それは有毒であり、あなたが動物にどのような反応を得るかを非常に予測します。ですから、実際の治療への応用に関しては、まだ克服すべきハードルがたくさんあると思います。そして、主要なものは、これらの治療薬がどのように作用するか、短期的にも長期的にも、誰も本当に理解していないからです、例えば、組織工学や幹細胞が胚性幹細胞から細胞を駆動する、あるいは他の人々からどのように振る舞うのか、ということです。 長期的には、私の体や他の誰かの体に。そしてもう一つは、倫理的な問題もあると思いますが、実際にはどのように、倫理的に責任を持つだけでなく、科学的にも臨床的にも実現可能であり、実際に臓器を操作することに関して、倫理的に挑戦的な課題である最高の細胞源は何か、という問題があると思いますが、そこでは、安全性と性能を兼ね備えたものを持つことができるか、という問題があると思います。 組織改変器官が克服しなければならない多くの制御メカニズムがあります。そして、現時点では、FDAは、人々が治療用途のために設計する生体組織を実際にどのように制御するかを模索し始めていると思います。そして、この種の製品が商品化されるためには、1つまたは2つの優先順位があると思いますが、実験室から最終製品まで何かを得るために何が起こるかを正確に知っているという非常に標準化されたルートはまだありません。ですから、皮膚のようなものの中には、すでにあるものもあります。心のようなもの、完全な心については、私たちは非常に遠いと言えるでしょう。たぶん、おそらく50歳くらいだと思いますが、私は非常に保守的になりたいと思っています。それはもっと早く起こるかもしれませんが、適切な複雑さを持ち、正常な生体組織のように適切に機能するものを手に入れるには多くの課題があります。しかし、心臓組織のような小さなものに関しては、完全な心臓ではなく、私たちははるかに近いと思います。そして、臨床応用や実際に規制プロセスを経たものに関しては、15年以内に、実際に移植可能な心臓組織片を持つことが可能になる可能性があると言えるでしょう。そして、そのほとんどが規制段階にあると思います。なぜなら、現在、薬を承認するには12年かかるからです。ですから、たとえ今、私たちが完璧だと思うものがあったとしても、それが安全であり、適切な機能を果たし、患者に広く使えるようになるためには、少なくとも10年はかかるでしょう。

組織工学への実験的アプローチ

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