脳の突破？デューク大学の科学者が、人体外で初めて生きたバイオプリントされた動脈瘤の作成に貢献

ダーラム – 脳動脈瘤は米国人の約50人に1人が罹患しており、破裂すると脳卒中、脳損傷、死亡など深刻な医療上の緊急事態につながる可能性がある。既存の治療選択肢は限られており、侵襲的であることが多く、手術の結果は個人によって大きく異なる可能性がある。

しかし、医療従事者は、既存の治療法を改善し、新しい個別化治療法を開発することができるかもしれない。 ローレンス・リバモア国立研究所 （LLNL）とその外部協力者。デューク大学と テキサス A&Mは、人体外で生体プリントされた生きた動脈瘤を作製し、それに医療処置を施し、実際の人間の脳と同じように反応して治癒するのを観察した最初の研究者となった。

ジャーナルに記載されているように バイオファブリケーションエンジニアのウィリアム・「リック」・ハインズとモニカ・モヤが率いるLLNLチームは、動脈瘤を再現することができた。 試験管内で 研究者らは、人間の脳細胞を使って血管を3Dプリントすることで、この技術を開発しました。ハインズ氏は、プリントされた動脈瘤に対して血管内修復処置を行いました。カテーテルを血管に挿入し、動脈瘤嚢の中にプラチナコイルをしっかりと詰めるという処置です。詰め込み処置後、研究者らは動脈瘤に血漿を注入し、コイルがあった場所に血栓が形成され、血流が遮断されるのを観察しました。研究者らは、血管内の内皮細胞の「術後」治癒過程も観察することができました。

LLNLの科学者らは、このプラットフォームをコンピューターモデリングと組み合わせることで、個人の血管の形状、血圧、その他の要因に基づいた動脈瘤の患者固有の治療法の開発に向けた重要な一歩となり、バイオメディカルエンジニアリングの最大のハードルの1つである、新しい外科手術の技術やテクノロジーが研究室から臨床現場に導入されるまでの時間という課題を克服するのに役立つ可能性があると述べた。

「有望な治療オプションは数多くありますが、まだ道のりは長いものもあります」と、プロジェクトの主任研究者であるモヤ氏は語ります。「動物モデルは、治療効果を直接観察できず、動脈瘤の形状を制御できないため、これらのオプションを試すための最良の方法とは言えません。この堅牢なヒトのin vitroテストプラットフォームがあれば、新しい治療を促進するのに役立ちます。これらのデバイスで動脈瘤を必要なだけ再現できれば、これらの製品の一部を臨床に導入するスピードを速め、患者により良い治療オプションを提供できるかもしれません。」

動脈壁の弱化によって起こる脳動脈瘤は、脳内の血管が「膨らむ」または膨らむのが特徴で、破裂すると命に関わる可能性があります。一般的な治療法の 1 つは外科的「クリッピング」です。これは、動脈瘤の根元に金属クリップを取り付けて血流を迂回させ、破裂を防ぐ方法です。この処置は侵襲性が高く、外科医が頭蓋骨を開いて脳を露出させる必要があります。動脈瘤が脳内のアクセスできない領域にある場合など、場合によっては治療の選択肢にさえなりません。

より一般的で侵襲性の低い治療法は血管内金属コイル法で、外科医が鼠径部の動脈に挿入した細い金属カテーテルを体内を通って動脈瘤まで送り込み、そこにコイルまたはステントを詰めて血栓を生じさせる。血管の内側を覆う内皮が血栓を覆って成長し、動脈瘤を血管の残りの部分から隔離する。「コイル法」の欠点は、成功が患者の血管の形状などさまざまな要因に大きく左右されることだ。血管の形状は人によって異なると研究者らは述べている。

このプロジェクトを提案した当初の主任研究者であるハインズ氏は、動脈瘤治療における推測作業を減らすために、患者の形状を考慮したより予測的な 3D モデルを検証する方法が研究者に必要だと気付いた。ハインズ氏によると、人間の細胞を使ったバイオプリンティングにより、研究者はコンピューター モデルと同一の、動脈瘤治療の生物学的に関連性のある実験モデルを作成し、正確かつ簡単に検証できるようになるという。

「私たちはこの問題を検討し、計算モデルと実験的アプローチを組み合わせることができれば、動脈瘤を治療したり、患者に最適な治療法を選択したりするためのより決定論的な方法を思いつくかもしれないと考えました」と、プロジェクトの初年度を率いたハインズ氏は語った。「今、私たちは外科医が動脈瘤を治療するための最良の方法を決定するために使用できるパーソナライズされたモデルのフレームワークを構築し始めることができます。」

ハインズ氏は、LLNLは「3本柱のアプローチ」をとっていると述べ、テキサスA&M大学の生物医学工学グループを率い、動脈瘤治療用の実験的な形状記憶コイルを開発する会社も率いる元LLNL科学者ダンカン・メイトランド氏とチームを組み、 アマンダ・ランドルズは、元研究所の計算科学者で、現在はデューク大学の助教授であり、血流をシミュレートするコード「HARVEY」を開発した人物です。この装置を使用して、研究所の研究者はランドルスのフローダイナミクスモデルを検証し、現実世界で観察される結果を検証することができました。低流量では、研究者は動脈瘤への血液の動きをほとんど確認しませんでしたが、人が興奮したり緊張したりしたときに起こるような流量の増加では、実際の脳動脈瘤で予想されるように、動脈瘤全体に血液が循環的に流れることがわかりました。

研究者らは、3Dプリントプラットフォームと計算モデルを組み合わせることで、最良の治療結果を得るために動脈瘤を完全に塞ぐために必要な最適なコイルタイプを外科医が事前に選択し、人間の患者に手術を施す前に「テスト実行」を行えるようなツールを開発したと述べた。

「基本的に、臨床医は文字通り患者の脳スキャン画像を見て、それをモデリング ソフトウェアに通すだけで、ソフトウェアは治療前に流体力学を表示できます」とハインズ氏は言う。「また、その治療をシミュレートして、医師が特定のタイプのコイルやパッキング ボリュームを絞り込み、最良の結果を確実に得られるようにすることもできるようになります。」

動脈瘤の計算モデルのほとんどは、動脈瘤のある動物を作出して手術を行うことで検証されている。研究者らは、動物モデルは不完全だと説明している。動物モデルに関するデータを収集するのが難しく、血管の形状を再現できないためだ。科学者らは、血管の形状を制御できる 3D プリントされたシリコン チューブなどの非生物学的デバイスも使用しているが、その結果は人間の生物学を反映していない可能性がある。

研究者らによると、動物モデルとは異なり、LLNLのプラットフォームでは、生物学的関連性を維持しながら、科学者が血管や動脈瘤内の流体力学を直接測定することができ、コンピューターモデルを検証する上で最適だという。

「これは、動物で行っていた場合には非常に困難な流量測定が可能なため、コンピューターモデルに理想的なプラットフォームです」とモヤ氏は語ります。「このプラットフォームが血管のコンプライアンスと脳組織の機械的剛性を模倣していることが素晴らしいです。また、コイル処置を処理できるほど堅牢です。血管が膨張して動くのが見えます。しかし、生体内とほとんど同じように、処置に耐えることができます。そのため、外科医のトレーニング プラットフォームや塞栓デバイスの in vitro テスト システムとして使用するのに最適です。」

研究者らは、患者ごとのケアや外科手術の訓練の試験台としての役割に加え、このプラットフォームは基礎生物学や手術後の治癒反応の理解を深める可能性を秘めていると述べた。

初期の結果は有望だが、研究者らは、このプラットフォームが臨床環境で応用されるまでには長い道のりがあると警告している。チームの次の段階は、LLNL の計算エンジニアで論文共著者のジェイソン・オルテガが開発した 2 次元血液凝固モデルとランドルズの 3D 流体力学モデルを組み合わせ、3 次元でコイルに反応して血栓がどのように形成されるかをシミュレートすることだ。彼らは、従来の裸のコイルと、メイトランドが開発した実験的な形状記憶ポリマー コイルを比較することを目指している。このコイルは、動脈瘤内で拡張して凝固を促進し、患者の転帰を改善するように設計されている。

この研究は、研究室主導研究開発プログラムによって資金提供を受けた。共著者には、テキサス A&M 大学の Lindy Jang、LLNL の Javier Alvarado と Elisa Wasson、デューク大学の Marianna Pepona、および Shape Memory Medical の Landon Nash が含まれる。

(C)デューク大学

元の記事の出典: WRAL TechWire