3D-Printed Skin: 化粧品における動物実験への有望な代替手段

Most people never consider the amount of research and testing that goes into everyday items like cosmetics. From researching and developing new shades and colors, all the way to safety testing, the cosmetics industry is a state-of-the-art sector that relies on a variety of methods to ensure its products are safe. Here’s how one team of engineers seeks to reduce animal testing in the market through the introduction of 3D-printed living skin.

化粧品業界で動物実験が依然として使用される理由

過去には、化粧品や医療研究者が製品を生体に対してテストする主要な手段として動物実験が用いられていました。初期の頃は、製品を動物に塗布し、その行動を観察するだけのシンプルなテストでした。

過去世紀にわたり、動物実験は能力が飛躍的に向上しました。研究者は他の生体上でヒトの臓器やその他の重要な身体部位を培養し、テストの精度を高めることができるようになっています。

さらに、先進的なコンピューターモデリングによりシミュレーションテストが可能です。この手法は多くの場合、動物実験よりもコストが低く、迅速で、正確です。しかし、これらの進歩にもかかわらず、依然として多くの化粧品・医療企業が製品の動物実験に依存しています。

動物実験に伴う倫理的・科学的問題

動物実験には明らかな倫理的問題があります。まず、これらの被験体に対する長年の虐待と残酷行為の歴史があります。これらの懸念は2010年に最高潮に達しました。
That’s when the EU introduced a host of animal testing restrictions with the overall goal to phase the practice out in the coming years.  Thankfully, a team of innovative engineers may have come up with a viable solution.

3Dプリント皮膚が実験室での動物実験に取って代わる可能性

The study “Protocol for the fabrication of self-standing (nano)cellulose-based 3D scaffolds for tissue engineering“¹は、カスタマイズされたインクと独自の印刷技術を組み合わせて生体模倣皮膚を作成する新しい3D印刷手法を詳述しています。
この人工的に培養された皮膚により、将来的にエンジニアは化粧品や医薬品からのナノ粒子の吸収や毒性測定などのインビトロテストを、動物を使用せずに実施できるようになります。

テスト用にヒト皮膚細胞を培養するための3Dスキャフォールドの利用

オーストリアのグラーツ工科大学（TU Graz）とインドのヴェロール工科大学（VIT）の研究者は、独自の3Dプリンターと部品を用いてナノセルロース材料から多孔質スキャフォールドを作製しています。これらの3Dスキャフォールドは現在、テスト業界の重要な要素となっています。

3Dプリント皮膚が実用的なテストプラットフォームとなる理由

動物実験に関して議論する際、3Dスキャフォールドは代替手段に比べていくつかの明確な利点があります。まず、動物が傷つくことはありません。また、細胞外マトリックス（ECM）を正確に模倣できます。この機能により、エンジニアはさまざまな細胞を培養でき、体内にいるかのように成熟させ、製品や治療法のテストを効果的に行うことができます。

他の細胞培養方法とは異なり、3Dスキャフォールドは構造的サポートとカスタマイズ性を提供します。例えば、3Dスキャフォールドのエンジニアは孔構造や生体適合性、哺乳類細胞の付着と増殖を支える能力など、重要な詳細をカスタマイズできます。

チームはアプローチの一環として植物由来資源の使用を決定しました。ナノスケールで高い機械的強度と広範な表面積を実現したいと考えていました。多くの研究の結果、ナノ繊維化セルロース（NFC）、カルボキシメチルセルロース（CMC）、クエン酸（CA）の組み合わせが求める相乗効果を提供すると判断しました。

合成皮膚スキャフォールド作成に使用された3Dプリンターとツール

具体的には、チームはカスタマイズされた印刷ノズルを備えたBioScaffolder 3.1 3Dプリンターを選択しました。エンジニアはGeSiM Robotics BS3.1/3.2ソフトウェアを使用して、圧力やストランド間隔などの重要なパラメータをプログラムしました。この設定では、吐出圧力が220〜260 kPa、ストランド間隔が500〜900 μm、ストランド高さが0.2 mmに設定されました。

科学者は印刷速度を15 mm/s、Zオフセットを0.0 mmに設定しました。この戦略はハイドロゲルの高い含水率と相性が良く、細胞培養に理想的な環境を提供しますが、印刷を複雑にします。

追加された含水を抑えるため、エンジニアはカルボキシル基を持つセルロース誘導体を作製しました。この化学物質は保水性と接着性を向上させ、さらに保水性、架橋、界面接着、イオン架橋能力を高め、組織工学構造体の理想的な添加剤となります。特に、クエン酸は天然の架橋剤および共有結合強化剤として機能し、スキャフォールド構造を安定化させつつ生体適合性を維持します。

3Dプリントスキャフォールドの安定化のための凍結乾燥プロセス

凍結乾燥は、ハイドロゲル中の不要な含水を除去する別の手法として使用されました。この方法は余分な水分を除去しながら多孔質構造を保持できるため理想的です。急激な温度低下はカルボン酸基とヒドロキシル基の架橋を促進します。

ソース – Manisha Sonthalia – Vellore Institute of Technology

ナノセルロースベースのバイオインク: 構成とバイオプリンティングにおける役割

新しい3D印刷アプローチの一部はナノセルロースインクの使用に依存しています。このインクはナノ繊維化セルロース（NFC）、カルボキシメチルセルロース（CMC）、クエン酸（CA）を組み合わせています。クエン酸は溶液中の最終的な結合剤として機能します。特に、エンジニアはテスト用に4種類のインクバリエーションを作成しました。

3Dプリントスキャフォールドが実際のヒト皮膚を模倣する方法

最適化されたハイドロゲルで作られた3Dプリント構造は、ヒト皮膚と多くの類似点を持っています。例えば、同じ3層構造と生細胞タイプを有しています。ただし、初期の皮膚は生細胞を用いてさまざまな皮膚タイプや疾患を模倣するように作成できます。また、ヒト皮膚と同様の生体力学特性も持ちます。

組織工学におけるハイドロゲル: 細胞成長のサポート

チームは、活細胞の成長と相互作用できる特殊ハイドロゲルの作製から始めました。複数の混合物をテストし、機械的安定性と加水分解耐性が向上したものを見つけました。

化粧品・医療テストのための生細胞バイオプリンティング

エンジニアは、ハイドロゲル溶液中で生細胞の3Dプリントが3週間にわたり成長・成熟・生存し、生体皮膚組織を形成できることを確認しました。チームは安定化のために架橋法を用いて生細胞の成長を実現しました。特筆すべきは、危険な細胞毒性化学物質を使用する必要がなかったことです。また、後処理作業も削減されました。

安全な細胞培養のためにスキャフォールドを中和する方法

エンジニアは3Dスキャフォールドに水酸化ナトリウムをコーティングし、十分に洗浄しました。この工程は残留アルカリを完全に除去するために重要です。また、完全に中和するために60分間の浸漬が必要です。

3Dプリント皮膚構造の有効性テスト

エンジニアは、印刷した細胞が成熟し正確であることを確認するために複数のテストを実施しました。チームはまず細胞の成長と成熟度を調査しました。具体的には、細胞が体内のものと全く同一か、テストに利用する際に問題となるような詳細な違いがあるかを明らかにしようとしました。

3Dプリント皮膚の機械的安定性と生体適合性

テストにより、使用された独自のハイドロゲルのおかげで構造が弾力的かつ極めて安定していることが証明されました。この新しい印刷方法の主なポイントは、架橋された材料が非細胞毒性で機械的に安定していることです。
さらに、低温や短時間・長時間の架橋が架橋プロセスに影響することが判明しました。TU Grazの研究者は、架橋速度を低減することでスキャフォールドの物理化学的特性を変化させられることに注目しました。

動物実験削減における3Dプリント皮膚の利点

本研究が市場にもたらす利点は複数あります。まず、動物実験が時代遅れになることが容易に想像できます。より手頃で効果的な方法が存在すれば、動物でテストする必要はありません。さらに、このデータは企業が動物実験から培養された3Dプリント生細胞の使用へ移行するのに役立つはずです。

3Dプリント皮膚はいつ化粧品テストに使用されるのか？

この技術には人間と動物の命を救う多くの応用が考えられます。明らかな応用分野は化粧品および医療テストです。3Dプリント皮膚の使用により、将来的に動物実験は魅力的でなくなるでしょう。
このカスタマイズ可能な皮膚は、さまざまなヒト皮膚タイプや部位を再現できます。そのため、製品が体に与える影響をモニタリングしたい研究者にとって理想的なテストソリューションを提供します。このようにして、本データは再生医療向けの多用途で持続可能なバイオマテリアル開発の枠組みを垣間見せます。

宇宙でのバイオプリンティング: 人間の健康に向けた将来の活用例

これらの先進的なヒト細胞成長プロジェクトの別の活用例は、星間探査者の活動範囲を拡大することです。将来的に、宇宙探査は地球から人類が出発し、恐らく帰還しないことを前提とするでしょう。

生存戦略の一環として、彼らは地球から何百万マイルも離れた場所で適切な医療を提供できなければなりません。この問題の最善策として3Dプリンターの利用が期待されています。将来の宇宙飛行士は、3Dプリントされた臓器や皮膚、その他の身体部品に頼り、ミッション完了まで生き延びることができるでしょう。

この技術への需要が高まっているため、3Dプリント皮膚のテスト利用は今後3〜5年以内に始まる可能性があります。ただし、完全な臓器を印刷する目標は、科学的・医療的・法的側面が整合するまで、まだ10〜20年先になるでしょう。

3Dプリント皮膚のブレークスルーを支えた科学者たち

本研究は、グラーツ工科大学（TU Graz）とインドのヴェロール工科大学（VIT）の革新的な研究者チームが主導しました。具体的には、Tamilselvan Mohan、Matej Bračič、Doris Bračič、Florian Lackner、Chandran Nagaraj、Andreja Dobaj Štiglic、Rupert Kargl、Karin、Stana Kleinschek が本研究に貢献しています。

医療・化粧品テストにおける3Dプリント皮膚の今後の展望

現在、チームはハイドロゲルとインクの設計最適化に注力し、より高速で信頼性が高く、コスト効率の良いものを目指します。また、コスト、印刷性、構造的完全性、そして生物学的性能の最適なバランスを見つけるために、さまざまな混合物やアプローチを試みます。

バイオプリンティング技術を推進する上場企業

バイオプリンティング分野には複数の企業が関与しています。これらの企業は、先進的な3D印刷レイアウト開発用ソフトウェアの提供からハードウェアやプリンターの製造まで、さまざまな役割を担っています。各社は市場で重要な役割を果たしています。ここでは、今後もトップパフォーマーであり続けると見込まれる企業をご紹介します。

3D Systems

バイオプリンティング分野で3D Systems (DDD )ほどの影響力と評価を持つ企業はほとんどありません。この企業は、他の市場リーダーであるUnited Therapeuticsと提携した後、2017年にバイオプリンティング分野へ本格的に参入しました。それ以来、バイオインクやその他のハードウェアなど、市場に不可欠な部品を提供する重要な役割を果たしています。

現在、3D Systemsは医薬品探索および研究分野で重要な役割を担っています。売上高と時価総額で最大手の純粋な3D印刷企業の一つと見なされています。さらに、同社は市場での地位を高めるために買収を続けています。具体的には、バイオプリンティング企業のAlleviを買収し、技術力を強化しました。