心臓研究向け3Dプリント Heart-on-a-Chip プラットフォームへの次なる一歩

私たちの心臓はまったく驚異的な臓器です。平均して1日に約10万回拍動し、7,000リットル以上の血液をシステム内で循環させ、各収縮は完全に拡張した血管内で血液を最大9メートル送り出す力を生み出します。研究と医学はこの精力的な臓器の理解において大きく進歩しましたが、心血管疾患は依然として世界的な主要死因であり、重大な懸念事項であり続けています。この背景において、心臓の in vitro モデルは、心臓生理学の理解深化、疾患メカニズムの解明、薬剤開発、薬物安全性評価のための貴重なツールです。これらは心臓研究のための管理された利用しやすいプラットフォームを提供し、心血管の健康増進に貢献します。

小型化in vitro ヒト心臓モデル

ボストン大学の学際的研究チームは最近、心拍出量を模倣し整流流を生成するバルブと組み合わせた、ヒト心臓チャンバーの小型化 in vitro モデルを開発しました。本物の心臓と同様に、このマイクロスケールレプリカは外部エネルギー源を必要とせず、システム内で流体を送出できる心筋細胞（cardiomyocytes）によって駆動されます。科学者たちは Nanoscribe の二光子重合技術を使用して、システム内の一方向流を確保するバルブを含むこの心臓ポンプを3Dプリントしました。

生体適合性細胞スキャフォールドの二光子重合

チップ上の人工心臓のプラットフォームは、供給ウェル、心臓ポンプチャンバー、高圧出力ウェルを備えたマイクロ流路 PDMS チップで構成されています。心臓ポンプチャンバーに組み込まれているのがプラットフォームの核心要素です。生体適合性フォトレジスト IP-S から3Dプリントされた円柱形スキャフォールドは、軸方向に自由に変形可能で、システム内で流体を送出できます。スキャフォールドをマイクロ流路システムに取り付けた後、ヒト誘導多能性幹細胞（hiPSC-CM）をスキャフォールド上に播種します。これらの細胞の収縮力によって駆動される円柱形スキャフォールドは、マイクロ流路チャネル内で流体を移動させる圧力勾配を生成します。著しい組織収縮に耐え崩壊することなく流れを生成できる高度なスキャフォールド設計に到達するために、複数の設計の繰り返しと実証テストが必要でした。

一方向流のためのバルブの3Dマイクロファブリケーション

科学者たちが直面したもう一つの課題は、出力チャネルへの整流流を確保するバルブの開発でした。自然の心臓と同様に、スキャフォールドポンプの収縮は振動流をもたらします。流れを整流し、流体を供給ウェルから心臓ポンプチャンバーへ、そこから高圧出力ウェルへと継続的に送出するマイクロ設計バルブが開発されました。これは付加製造技術としての2PPの強みを改めて示しています。設計の繰り返しが容易に行え、テスト用にすぐプリントできます。科学者たちはいくつかの設計をテストし、開閉状態の間を前後に揺動する自由移動式の凸プレートを持つバルブが最も効率的であることを見出しました。

このバイオチップ中心プロジェクトの意義

ボストン大学主導の学際的チームの成果は、前例のない方法で疾患の進行を研究する道を開き、肺から腎臓まで他の臓器のチップベースバージョンの全く新しい世代につなげられる可能性があります。Nanoscribeはバイオ・ライフサイエンス応用に向けた2PPベース3Dマイクロファブリケーションの大きなポテンシャルをいち早く見出してきました。Quantum X bioにより、Nanoscribeは世界最高精度の3Dバイオプリンタを提供しています。

このエキサイティングなプロジェクトについてさらに深く知りたい方は、こちらの科学論文をご覧ください： Engineering a living cardiac pump on a chip using high-precision fabrication

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Video information

Video 1： 動作中の心臓チャンバーのリアルタイム映像。培養された心筋細胞の収縮により、プラットフォームがシステム内で流体を送出します。動画：Michas et al., Sci. Adv. 8, 16, (2022), ボストン大学。

Video 2： 動作中のサスペンションバルブ。凸プレートにより流体は一方向にのみ流れます。Michas et al., Sci. Adv. 8, 16, (2022), ボストン大学。