脊髄損傷修復のための3Dプリントスキャフォールド

1500万人以上1500万人 世界中が脊髄損傷（SCI）で生活しています。 米国だけでも、国立脊髄損傷統計センターによると30万人以上がSCIに苦しんでいます。

これらの数字にもかかわらず、損傷を逆転させる方法は実際にはありません。しかし、SCIが患者と社会に与える壊滅的な影響を考えると、研究者や企業は効果的な治療法を積極的に探求しています。

脊髄損傷（SCI）の世界的な影響

脊髄損傷（SCI）は非常に衰弱させる状態で、日常活動を行う能力を著しく制限します。

それは脳から下部背部まで伸びる中枢神経構造である脊髄の損傷を伴います。 中枢神経系の重要な部分として、脊髄は脳と体の間で神経信号を伝達します。

この長く円筒形の管は脊椎と三層の膜に保護されています。しかし、転倒や交通事故、オートバイや自動車の衝突などの活動が脊髄に損傷を与えることがあります。

男性は女性よりも脊髄損傷にかかりやすいです。

損傷の仕方や部位に応じて、頸椎（首）、胸椎（上背部からへその下）、腰椎（下背部）、仙椎（尻から尾骨）に分類されます。

ヒトの脊髄は全体で31セグメントあり、8つの頸椎、12の胸椎、5つの腰椎、5つの仙椎、1つの尾骨セグメントで構成されています。

重症度に関しては、損傷は完全であり損傷レベル以下に運動・感覚機能が全くない場合、または不完全であり一部機能が保たれる場合に分類されます。

脊髄の損傷は運動、機能、感覚に影響を与える可能性があります。身体的障害に加えて、SCI患者は精神的、感情的、社会的な副作用も経験することがあります。

重度のSCIは麻痺を引き起こす可能性があり、死亡も起こり得ます。この状態の人は、医療サービスへのアクセス不足や質の低さにより早期に死亡することが多く、低・中所得国の院内死亡率は高所得国のほぼ3倍です。

脊髄損傷患者は、衰弱性や生命を脅かす二次的状態を発症するリスクもあります。

子どもはこの状態で学校に通う可能性が低く、通学した場合でも進学しにくいです。一方、成人のSCI患者の失業率は60％を超えており、教育・経済参加率の低さは個人だけでなく社会全体に大きなコストをもたらします。

効果的な治療はSCIの世界的負担を軽減するために不可欠です。

開発中の画期的な脊髄損傷治療法

世界中の科学者が脊髄損傷を修復する方法の研究に取り組んでいます。新しい治療法を求めた研究は世界中で進行中で、これらの損傷後の転帰改善への道が開かれています。

数か月前の画期的な研究で、研究者は超薄型インプラントを開発し¹、それが脊髄に直接装着され、損傷部位に電流を供給して自然な信号を模倣し神経の治癒を刺激します。

ラットでテストしたところ、この装置は炎症や他の損傷を引き起こすことなく、運動と触覚感覚を回復させました。

「皮膚の切り傷が自然に治癒するのとは異なり、脊髄は効果的に再生しないため、これらの損傷は壊滅的で現在は治癒不可能です。」

– 主任研究者 Dr Bruce Harland、ワイパパ・タウマタ・ラウ大学薬学部上級研究員

彼らのインプラントで、チームはこの状況を変えることを目指しています。長期的には「この人生を変える脊髄損傷に苦しむ人々に利益をもたらす医療機器」になることが期待されています。

今年の別の研究で、研究者は閉ループ迷走神経刺激（CLV）と個別化リハビリテーションを組み合わせることで、SCIの回復率が顕著に向上することを実証しました²。

電気パルスは首に埋め込まれた小型デバイスを通じて脳へ送られ、リハビリテーション中にタイミングよくパルスが送られます。リハビリ中に迷走神経を刺激することで、脳の損傷領域が再配線され、回復が改善されることが示されています。

この研究は実際に臨床試験として機能し、インプラントは慢性・不完全頸椎SCI患者の腕と手の筋力に有意な改善をもたらしました。

UTダラスで10年以上にわたるバイオエンジニアリングと神経科学の取り組みを基に、最新のアプローチは上肢障害のFDA承認に向けた最終ハードルを克服しようとしています。

昨年、ケンブリッジ大学の外科医、神経科学者、エンジニアのチームは「ラップアラウンド」インプラントを開発しました³。

名前が示す通り、薄く小さな高解像度電子デバイスが脊髄を360度包み込み、記録と刺激を可能にします。通信が途絶えた完全なSCIをバイパスすることも可能です。

脊髄損傷の治療はまだ遠いですが、このデバイスは非侵襲的に人間解剖学の未研究領域を理解する助けとなり、結果としてより優れた治療法の開発に寄与します。

アイルランド王立外科大学（RCSI）からも、電気刺激を用いた別の研究が報告されました。

この研究は脊髄構造を模倣した3Dプリントインプラントを詳細に示し⁴、超薄型の電気伝導メッシュが損傷部位にターゲット刺激を行い、ニューロンと幹細胞の成長を促進しました。

チームは繊維配置を調整することでデバイスの有効性を向上させ、整形外科、心臓、神経系の治癒への応用可能性を開きました。

一方、ラトガース大学の研究者はAIとロボティクスを利用してSCIを治療しました。彼らは高度に感度の高い治療用タンパク質を設計し、酵素コンドロイチン酵素ABC（ChABC）を安定化させました。ChABCはSCIによる瘢痕組織を減少させ組織再生を促進することが知られています。

The enzyme ChABC is extremely unstable at normal human body temperature (98.6°F), losing its activity within only a few hours. As a result, repeated high-dose infusions are often needed to maintain therapeutic benefit. Synthetic copolymers, however, can envelop enzymes and help stabilize them in otherwise hostile environments.

研究者は液体ハンドリングロボティクスを用いて様々なコポリマーのChABC安定化能力を合成・テストし、98.6°Fでの活性維持を確認しました。いくつかのコポリマーがそれを実現でき、ある組み合わせは酵素活性を最大1週間30％保持し、SCI患者にとって有望な結果となります。

現在、ミネソタ大学ツインシティーズの研究者はマイクロスケールチャンネルを備えた3Dプリントスキャフォールドを構築し、幹細胞の成長を機能的な神経細胞へと導いています。この技術は軸索成長、細胞成熟、神経ネットワーク形成を促進します。

この手法は脊髄が切断されたラットの運動を回復させ、人間の脊髄損傷治療の将来を変革する可能性があります。

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脊髄損傷修復のための3Dプリントスキャフォールド

臨床管理において患者の生活の質を向上させるための重要な進歩がなされてきましたが、脊髄損傷は依然として発生しています。 また、現在それに対する治療法は存在しません。

脊髄損傷の複雑さを考えると、新しい治療オプションはSCI患者にとって非常に歓迎され、利益になるでしょう。

新しい研究は、部位特異的な神経前駆細胞（sNPCs）の移植が機能回復に不可欠なアプローチであることを報告しています。これらの細胞は損傷領域全体の神経回路と機能的な接続を確立できることが示されています。

しかし、再生能力を最大化するためには、移植細胞の集団を定義し、部位特異的な細胞を損傷部位に投与するだけでなく、これらの細胞の作用機序を解明することも困難です。

研究は様々な治療法の機能的利益を示していますが、主に急性・亜急性損傷での神経保護メカニズムであるため、慢性SCIには転移しません。したがって、移植細胞を神経回路に統合してリレー機構を確立するなど、新しい戦略を追求する必要があります。

脊髄オルガノイドはこの取り組みの理想的な基盤です。構造的に脊髄に最も類似しているからです。ここで、3Dを用いた神経幹細胞移植が有望であることが示されています。

脊髄の空間に直接細胞を注入することは構造的支持が不十分であるため実際にはできません。この問題は3Dプリントスキャフォールドで対処でき、構造的支持を提供するだけでなく、細胞に対して生物学的・機械的なガイダンスも提供します。

3D印刷技術は、病変部位の形状に合わせた細胞負荷型スキャフォールドを作成でき、移植後の移植体と宿主の相互作用を改善できることも示しています。

ただし、オルガノイド上への3Dプリントスキャフォールドの応用はまだ初期段階です。

そこで、ミネソタ大学の研究者はヒト誘導多能性幹細胞（iPSC）由来のsNPCを使用して、免疫拒絶を回避できる3Dプリント脊髄オルガノイドスキャフォールドを作成しました。

研究は、PSC由来の部位特異的sNPCが移植後も部位特異性を維持できることを示しました。これらの細胞の大半はニューロンに分化し、失われたまたは損傷した細胞を置換して脊髄組織を再現します。

スキャフォールドの材料として、チームは医療用途で広く使用されているシリコンに注目しました。

自然由来の要素から派生したシリコンは、高い生体適合性と優れた酸化耐性で知られる合成ポリマーです。その高いガス透過性は酸素を多く必要とする細胞の生存を支援します。

さらに、シリコンは自然に分解されないため、印刷された細胞をオルガノイドに成長させるのに適したスキャフォールド材料となります。研究チームは以前にも制御された実験環境でシリコンスキャフォールドを分析しています。

このようにして、チームは切断された脊髄を持つラットの機能回復を促進するために、3Dバイオプリントシリコンスキャフォールドを構築しました。

希望と治癒のギャップを機能的フレームワークで埋める

この新しいアプローチで、ミネソタ大学の研究者は幹細胞生物学、培養組織、3D印刷を組み合わせて脊髄損傷を治療しています。

革新的なプロセスは、3D-Printed Scaffolds Promote Enhanced Spinal Organoid Formation for Use in Spinal Cord Injury⁵という研究で詳述され、最近ピアレビューされた科学誌Advanced Healthcare Materialsに掲載されました。

新しい研究により、科学者たちは損傷の主要課題である神経細胞の死と、損傷部位を越えて神経線維が再成長できない問題に取り組んでいます。

彼らが実験室で培養した臓器のために作られた独自の3D印刷フレームワークは「オルガノイドスキャフォールド」と呼ばれます。マイクロスケールチャンネルを持つ3Dスキャフォールドは層ごとに印刷され、sNPCは押出しベースの多材料印刷システムでマイクロチャンネルに配置されました。

sNPCはヒト脊髄に特化するようプログラムされたヒト幹細胞で、将来的に脊髄損傷後の細胞置換療法に使用されることが目標です。これらの細胞は分裂し、特定の成熟細胞タイプに分化します。

脳由来の神経幹細胞とは異なり、sNPCは宿主脊髄に統合しニューロンに分化し、機能回復に不可欠な神経ネットワークを形成し、既存の神経回路との接続を回復させます。

「私たちは3D印刷されたチャンネルを使用して幹細胞の成長を誘導し、新しい神経線維が望ましい方向に成長するようにしています」と、ミネソタ大学で元ポスドクの機械工学研究者で現在Intel (INTC ) に勤務するGuebum Han氏は述べています。「この方法は脊髄に配置されたときに損傷部位をバイパスするリレーシステムを作り出します。」

研究者はラットでフレームワークの有効性をテストしました。スキャフォールドは脊髄が完全に切断されたラットに移植され、細胞は成功裏にニューロンへと分化しました。

移植後12週間で、スキャフォールド内の大部分の細胞はニューロンに分化しましたが、多くは宿主脊髄へと伸びました。神経線維は頭側（ロストラル）および尾側（カウダル）に伸長し、宿主の既存神経回路と新たな接続を形成しました。

新しい神経細胞は時間とともにラットの脊髄組織にシームレスに統合され、かなりの機能回復をもたらしました。ミネソタ大学神経外科教授のAnn Parrによれば：

「再生医療は脊髄損傷研究に新時代をもたらしました。我々のラボは『ミニ脊髄』の臨床応用の将来性を探求できることに興奮しています。」

研究はまだ初期段階ですが、早期であるにもかかわらず、脊髄損傷患者にとって新しく変革的な治療の可能性を提供しています。

Spinal Cord Society、米国国立衛生研究所、ミネソタ州脊髄損傷・外傷性脳損傷研究助成プログラムから資金提供を受け、研究チームは現在技術の生産規模拡大を目指しています。

さらに、チームは今後の臨床応用に向けて、sNPC、オルガノイド組立、3D印刷戦略の組み合わせを開発し続けます。

次世代脊髄修復への投資

世界最大級の医療機器企業の一つであるMedtronic plc (MDT )は、インプラント、神経インターフェース、FDA承認デバイスに深い専門知識を持っています。

同社は疼痛や運動障害のための脊髄刺激装置や神経調節デバイスも開発しています。

同社の充電式脊髄刺激（SCS）デバイスにはInceptiv、Intellis、充電不要のVantaがあります。これらの小型で快適なデバイスは、体位に基づく閉ループセンシング技術と治療調整により個別化された疼痛緩和を提供し、全身MRI検査も可能にします。

Medtronicの非オピオイド治療オプションは、小さな電気パルスを送って脳に到達する前に疼痛信号を遮断することで慢性疼痛を緩和するよう設計されています。

Medtronic plc (MDT )

今年初め、同社はInceptivの閉ループ脊髄刺激装置（CL‑SCS）を足の痛みと慢性腰痛（CLBP）患者で評価した臨床試験の1年分データを公表し、疼痛、身体機能、生活の質の改善と過剰刺激の低減を示しました。

閉ループ機能は各個人の独自の生体信号を感知し、それに基づいて必要に応じて刺激を調整します。

アイルランドに本拠を置くグローバルヘルスケア企業は、70以上の健康状態（インスリンポンプ、心臓デバイス、外科用ツール、外科ロボティクス、患者モニタリングシステムなど）を治療する技術と治療法で疼痛緩和、健康回復、寿命延長を目指しています。

心臓血管部門はMedtronicの主力事業で、売上の37％を占め、次いで神経科学、医療外科、その他（主に糖尿病治療）となっています。

時価総額1180億ドル、MDT株は現在1株92.36ドルで、年初来15.24％上昇しています。TTM EPSは3.62、TTM P/Eは25.44です。配当利回りは3.09％です。

財務面では、売上高で世界最大の医療技術企業は2025年7月25日で終了した2026会計年度第1四半期に売上高8.6億ドルへ8.4％増加しました。

GAAPベースの希薄化EPSは0.81ドル、非GAAPベースの希薄化EPSは1.26ドルでした。

CEO Geoff Marthaは有機的な売上成長と複数製品カテゴリからの強さを指摘し、CFO Thierry Piétonは「製造、サプライチェーン、営業費用の効率化により利益成長を促進し、R&D、販売、マーケティングへの投資を増やす」ことでさらに良い結果が得られると自信を示しました。

今月、同社は取締役会に2名の新取締役を追加し、投資機会を探り利益成長を促進すると発表しました。また、遅れた株価パフォーマンスを改善するためにGrowth Committeeを設立しました。

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結論

脊髄損傷は壊滅的な神経疾患で、生涯にわたる機能障害を引き起こす可能性があります。また、個人、家族、医療システムに大きな負担をもたらすため、より良い治療法を見つけ、この中枢神経系の重要部分を修復することが重要です。

オルガノイド、バイオエンジニアリング、3D印刷を活用し、研究者は医学で最も難しい課題の一つに取り組んでいます。ヒト向け治療はまだ数年先ですが、規模化と実現が進めば、何百万人もの回復と自立を支援できるでしょう。

参考文献：

1. Harland, B., Matter, L., Lopez, S., et al. Daily electric field treatment improves functional outcomes after thoracic contusion spinal cord injury in rats. Nature Communications, 16, 5372, 2025年6月26日掲載。 https://doi.org/10.1038/s41467-025-60332-0
2. Kilgard, M.P., Epperson, J.D., Adehunoluwa, E.A., et al. Closed-loop vagus nerve stimulation aids recovery from spinal cord injury. Nature, 643, 1030–1036, 2025年5月21日掲載。 https://doi.org/10.1038/s41586-025-09028-5
3. Woodington, B.J., Lei, J., Carnicer-Lombarte, A., Güemes-González, A., Naegele, T.E., Hilton, S., El-Hadwe, S., Trivedi, R.A., Malliaras, G.G., & Barone, D.G. Flexible circumferential bioelectronics to enable 360-degree recording and stimulation of the spinal cord. Science Advances, 10(19), eadl1230, 2024年5月8日掲載。 https://doi.org/10.1126/sciadv.adl1230
4. Woods, I., Spurling, D., Sunil, S., O’Callaghan, A.M., Maughan, J., Gutierrez-Gonzalez, J., McGuire, T.K., Leahy, L., Dervan, A., Nicolosi, V., & O’Brien, F.J. 3D-printing of electroconductive MXene-based micro-meshes in a biomimetic hyaluronic acid-based scaffold directs and enhances electrical stimulation for neural repair applications. Advanced Science, eadvs.202503454, 2025年7月15日掲載。 https://doi.org/10.1002/advs.202503454
5. Han, G., Lavoie, N.S., Patil, N., Korenfeld, O.G., Kim, H., Esguerra, M., Joung, D., McAlpine, M.C., & Parr, A.M. 3D-printed scaffolds promote enhanced spinal organoid formation for use in spinal cord injury. Advanced Healthcare Materials, eadhm.202404817, 2025年7月23日掲載。 https://doi.org/10.1002/adhm.202404817