超音波誘導バイオプリンティング：精密医療の新たなフロンティア

医療と医療システム は過去世紀にわたり大きく進歩してきました。昔は、人々は薬用植物に依存していました. しかし、もちろん、薬剤の投与において一貫性や特異性が欠けていました。

その後、錠剤やカプセルが医薬品の保存に一般的になりました。これらは消化管液と接触すると溶解し、腸壁を通過して血管の毛細血管を通じて血流に吸収されますが、薬剤放出の制御はできません。

薬剤にコーティングを施して苦味を隠すことは、薬剤の放出速度にも影響を与えました。時間とともに、コーティング材料は金や銀から真珠、砂糖、腸溶性コーティングへと進化しました。

腸溶性コーティングは経口薬の外側に施されるポリマーコーティングで、胃の酸性環境で薬が溶解するのを防ぎ、制御放出を可能にします。これらのコーティングのさらなる進歩により、薬剤送達はさらに向上しました。

最初のナノ粒子治療薬であるポリマー-薬物コンジュゲートは1950年代に報告され、最初のナノテクノロジーであるリポソームは1960年代に発見されました。どちらもナノキャリアの起源を示しています。

時間とともに、スマートポリマーやハイドロゲルが開発され、薬剤送達システムの安定化が図られ、標的ナノテクノロジー薬剤送達システムの開発が進められました。

近年、局所的な薬剤送達デバイスの開発が大きく進展し、薬剤放出を正確に制御できるようになりました。ミセル、ハイドロゲル、リポソーム、ナノ粒子などの技術は、特定の部位で治療剤を持続的に放出します。

これらのアプローチは、治療効果を高めつつ、治療剤が全身循環に入ることを防ぎ、組織毒性を最小化します。

特にインプラント型薬剤送達デバイスは、局所領域への薬剤投与に効果的です。これらのデバイスは生体適合性かつ生分解性の素材で作られ、異なる投与量や連続・断続的な投与が可能です。

特に注目されているのは、非侵襲的な深部組織インプラント（スマートインプラントまたは低侵襲インプラント）で、体内機能のモニタリングや薬剤投与、組織再生を支援するデバイスで、外科的手術を大幅に省くことができます。

現在、カリフォルニア工科大学（Caltech）の研究チームは、心臓の鼓動内部など、正確な位置に組織修復に必要な細胞を届けるミニチュアカプセルを正確に印刷できるという最終目標に向けて大きな進展を遂げました。

そのために、彼らは深部組織インビボ音響印刷（DISP）プラットフォームを構築しました。新しい画像誘導インビボ3D印刷技術¹がScience誌に掲載されました。

DISP：画像誘導音響印刷による深部組織治療

三次元（3D）印刷または付加製造は、その汎用性、複雑な設計の作成能力、カスタマイズオプションにより大きな注目を集めています。

この製造プロセスでは、デジタルファイルから層状に材料を積み重ねて3Dオブジェクトを作成します。これにより、迅速なプロトタイピング、製造コストの削減、個別化製品が可能となり、特に製造業、医療、ファッションなどの分野で広く採用されています。

医療分野では、3D印刷が医療インプラント製造を革命的に変えています。患者固有のインプラントを外部でも体内でも生成するための非常に価値あるツールとなっています。

しかし、カスタマイズされたインプラントの約束は、侵襲的外科手術が必要という制限に直面しています。体内インプラントは、前駆体材料と人体内で安全に使用でき、外部から正確に活性化できる重合方法が必要です。これらの課題に対処するため、研究者は超音波印刷に注目しています。

例えば、研究²では、テクニオン大学生物医学工学部の研究者が、外部超音波トランスデューサから放射される音波を用いて、体内深部に組織や細胞を非侵襲的にバイオプリントする技術を提示しました。

現在、カリフォルニア工科大学の科学者チームは、他の方法よりはるかに深部に到達可能な画像誘導超音波印刷を活用するプラットフォームを構築しました。

従来のノズルを持つ3D印刷とは異なり、本研究では、音波の集束ビームが制御された温度スパイクを生成し、印刷プロセスを開始します。

米国国立衛生研究所、米国がん協会、ヘリテージ医療研究所、UCLAチャレンジイニシアティブから資金提供を受け、本研究は低温リポソーム（LTSL）に交差結合剤を搭載した超音波と組み合わせています。

リポソームまたは脂質小胞は、脂質（脂肪、ワックス、モノグリセリド、ジグリセリドなど）を含む細胞内の小さな閉鎖構造で、エネルギー貯蔵、シグナル伝達、ビタミン吸収、ホルモン合成、細胞膜の構造部品など多様な機能を果たします。

これらの小胞は、薬剤標的化、薬剤送達、細胞膜動態のin vitro研究など様々な用途で使用されています。

本研究のリポソームは、目的のポリマー単量体と投与されるカゴ（例：治療薬）を含むポリマー溶液に浸漬されています。

ポリマーは、交差結合が起こったことを示す画像造影剤です。本研究では、ガス小胞（GV）をこの目的で使用しています。リアルタイムモニタリングにより、GVベースの超音波画像はライブ動物でカスタムパターン作成を可能にします。

GVは空気で満たされたタンパク質ナノ構造で、超音波、磁気共鳴、光学技術の画像および治療エージェントとして機能します。その非線形コントラスト生成特性により、超音波画像の造影剤として広く使用されています。GVは遺伝子コード化やエンジニアリングが可能で、汎用性の高い画像エージェントです。

交差結合剤を搭載したLTSLをバイオインクに組み込むことで、新プラットフォームは集束超音波を用いて多様な機能性バイオマテリアルの迅速かつ正確な交差結合をオンデマンドで提供できます。

チームは、マウス膀胱のがん領域近傍およびウサギの脚筋深部でのインビボ印刷に成功し、プラットフォームを検証しました。

DISPプラットフォームを使用して、化学療法薬（ドキソルビシン）を搭載したポリマーをマウスの膀胱腫瘍近傍に印刷した結果、直接注射で薬剤溶液を投与した場合に比べ、数日間にわたり腫瘍細胞死がはるかに多く観察されました。

安全性、精密性、そして生体適合性：DISPの臨床的可能性

Caltechチームは、生体内動物の深部特定位置でポリマーを3D印刷する技術を開発しました。ユタ大学機械工学助教授のエルハム・ダヴーディ、Caltechのポストドクトラル研究員として本研究を主導しました。

この手法は音波を位置決めに利用します。すでに、内部創傷を封止する接着性ポリマーや選択的薬剤送達用ポリマーカプセルの印刷に使用されています。

研究者は以前、赤外線光を用いて生体内動物で重合（単量体が結合してポリマーになるプロセス）を活性化していました。

しかし、赤外線は浸透深さが非常に限られます。「皮膚すぐ下までしか届かない」と、Caltechの医療工学教授でヘリテージ医療研究所調査員のウェイ・ガオは述べています。

対照的に、新技術は深部組織に到達でき、幅広い用途のために異なる材料を印刷でき、「優れた生体適合性」を維持します。

深部インビボ印刷を実現するため、チームはこの目的で広く生体医学に利用されている超音波プラットフォームに転向しました。

しかし、単量体の結合（交差結合）を特定の場所で、望むときだけ活性化する方法が必要でした。

そこで、チームは超音波と交差結合剤を搭載した低温リポソーム（LTSL）を組み合わせ、ポリマー単量体とカゴを含むポリマー溶液に埋め込む新手法を導入しました。ここに細胞や銀や炭素ナノチューブなどの導電性材料も含めることができます。生成されたバイオインクは直接体内に注入されました。

現在、印刷を開始するために、研究者は集束超音波を使用し、標的領域の温度を数度（約5度）上昇させました。これによりリポソームが内容物を放出し、正確な位置でポリマー印刷が開始されます。ガオによれば：

「温度を数度上げるだけでリポソーム粒子が交差結合剤を放出します。剤が放出された場所が局所的な重合または印刷が行われる場所です。」

ここで使用されるバクテリア由来の画像造影剤であるガス小胞は、超音波画像で強く現れることで、すべてが意図通りに機能していることを示します。液体単量体溶液が交差結合してゲルネットワークを形成する際の化学変化に敏感です。

変化が起こると、小胞はコントラストを変え、超音波画像で検出されます。これにより、研究者は重合・交差結合がいつ、どこで起きたかを容易に検出でき、ライブ動物で印刷パターンを修正できます。

バイオ接着性ゲルやポリマーに加えて、研究はバイオエレクトリックハイドロゲル、導電性材料を埋め込んだポリマーを用いた内部生理的バイタルサインのモニタリングにも言及しています。

マウスとウサギでの成功実験により、炎症や組織損傷の兆候がなく、DISPプラットフォームは局所薬剤送達、組織置換、バイオエレクトロニクスの潜在力を示しました。体内で未重合インクは1週間で除去され、安全性プロファイルがさらに強調されます。

さらに、細胞を含む、薬剤を搭載した、バイオ接着性、導電性材料の印刷が可能で、様々な医療応用への汎用性を示しています。しかし、臨床応用にはさらなる改良が必要です。

「これはバイオプリンティング分野の新たな研究方向です。次の段階は、より大きな動物モデルでの印刷を試み、近い将来、人間での評価を目指します。」

– ガオ

チームは、DISPプラットフォームの精密局所化能力を向上させ、機械学習を通じて集束超音波を適用することを目指しています。

「将来的には、AIの助けを借りて、鼓動する心臓のような動く臓器内で高精度印刷を自律的にトリガーできるようにしたいです。」

– ガオ

3Dバイオプリンティングへの投資

3Dプリンティング業界の初期プレイヤーである3D Systems (DDD )は、この分野が進化する中で注目すべき主要企業の一つです。同社は金属、材料、プラスチック用の3Dプリンター、ソフトウェア、サービスを含む包括的な3Dプリンティングおよびデジタル製造ソリューションを提供しています。歯科ラボや自動車メーカーから半導体設計者、医療機器メーカーまで、あらゆる産業と材料向けにソフトウェアを設計し、プリンターを開発しています。

3D Systems (DDD )

3S Systemsは2つのセグメントで事業を展開しています： Healthcare Solutions（歯科、再生医療、医療機器、パーソナライズドヘルスサービス向け）とIndustrial Solutions（輸送、航空宇宙、防衛、一般製造向け）です。

2021年に、同社は再生医療イニシアチブを拡大するためにAlleviを買収し、医薬品研究ラボの成長を加速させました。同社のウェブサイトによれば、3Dバイオプリンティングは、動物フリーの前臨床モデルや3D疾患モデリングの開発を、反復的なバイオプリント設計とヒト生体内生物学の再現能力により進めています。

同年、ドイツのソフトウェア企業Additive Works GmbHも買収し、産業規模の3Dプリンティングプロセスの迅速な最適化のためのシミュレーション能力を拡大しました。

同社の株価は現在1.94ドルで、年初来22.26%下落しています。この価格帯では、2021年初頭の最高値約48.60ドルから大幅に下落しており、市場の多くの銘柄と同様です。

3D Systemsは時価総額345.6百万ドルを達成し、EPS（TTM）は-1.93、P/E（TTM）は-1.32です。

2025年第1四半期の売上は9,450万ドルで、前年同期比8%減少しました。これは材料販売の低下によるものです。

ヘルスケアソリューション部門の売上は4,130万ドル、Industrial Solutions部門は5,320万ドルでした。

CEOのジェフリー・グレイブス博士は、これを「多くの顧客が資本投資を遅らせているため、トップラインの圧力が続いている」ことの表れと述べ、関税影響や地政学的・マクロ経済的不確実性への明確さを求めていると語りました。

当期の粗利益率は34.6%、非GAAP粗利益率は35%で、ボリューム低下と価格不利が原因です。純損失は3,700万ドルでした。2025年3月末時点で現金・現金同等物は1億3,500万ドル、総負債（金融費用控除後）は2億1,230万ドルでした。

同社は、5,000万ドルのコスト削減イニシアティブに取り組んでおり、2026年中頃までに完了する予定です。また、今年度最終四半期にはEBITDAベースで損益分岐点に達する見込みです。

さらに、Geomagicポートフォリオの売却により、税引後で1億ドル超の現金増加があり、2025年4月30日現在の現金準備は2億5,000万ドルとなりました。

3D Systemsの投資オプションとしてのポジティブな点は、航空宇宙・防衛市場での安定した成長と、最新ハードウェアシステムの売上増加です。また、AIインフラは同社が進展を促進するために注力している領域でもあります。

「過去数年間にわたるR&D投資の意図的な維持により、ポリマーと金属プラットフォームを含む製品ポートフォリオ全体で新技術の導入が大幅に進みました。」

– グラベル

彼は、短期的には収益性にマイナスの影響があるものの、強い顧客関心により「新システムは高品質・高信頼性の部品製造、人体内応用、先進産業システムでますます好まれている」と述べました。複数の新製品が現在、商業化の重要段階に入っています。 (DTG.DE )

今年度、3D Systemsは主要商用車メーカーのダイムラー・トラックと協力し、遠隔予備部品印刷を実現しました。オンデマンド印刷はサプライチェーンのボトルネックを克服し、納期を75%短縮します。

臨床検証済みのNextDent 3D印刷樹脂は、現在30以上の用途に対応し、歯の修復にも焦点を当てています。同社はまた、バーゼル大学病院と提携し、ポイントオブケア付加製造ソリューションで初の3DプリントPEEK顔面インプラントを発表しました。

最近のイベントで、3D SystemsはQuickCast® Diamond™、PSLA 270、EXT Titanペレット押出大型プリンター用新モジュールなど複数の新製品を発表しました。また、高スループットで精密なFigure 4® 135 3DプリンターとFigure 4 Tough 75C FR Black素材を導入し、高ミックス・低ボリューム製造のコスト削減を図っています。

3D Systemsの最新情報

結論

医療システムは過去数十年で大きく変革しました。ハーブ調合から高度なナノ医薬へと進化したこの過程は、薬剤送達が技術革新によって形作られてきたことを示しています。

現在、Caltechの科学者による最新の開発は、医療革命の世界における顕著な前進です。同じ音波を画像診断に使用しながら、DISPプラットフォームは組織深部へはるかに深く浸透できます。カスタム調合されたバイオインクと集束超音波（FUS）トランスデューサの組み合わせにより、正確な印刷が可能となります。

技術が大型動物モデルやヒト臨床試験へと進むにつれ、DISPは生体適合性、精密性、適応性により、薬剤送達と内部治癒の再定義を約束します。

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参照研究：

1. Davoodi, E., Li, J., Ma, X., Najafabadi, A. H., Yoo, J., Lu, G., Sani, E. S., Lee, S., Montazerian, H., Kim, G., Williams, J., Yang, J. W., Zeng, Y., Li, L. S., Jin, Z., Sadri, B., Nia, S. S., Wang, L. V., Hsiai, T. K., Weiss, P. S., Zhou, Q., Khademhosseini, A., Wu, D., Shapiro, M. G., & Gao, W. (2025). 画像誘導型深部組織インビボ音響印刷. Science, 388(6747), 616–623. https://doi.org/10.1126/science.adt0293

2. Debbi, L., Machour, M., Dahis, D., Shoyhet, H., Shuhmaher, M., Potter, R., Tabory, Y., Goldfracht, I., Dennis, I., Blechman, T., Fuchs, T., Azhari, H., & Levenberg, S. (2024). 超音波媒介重合による細胞送達、薬剤送達、3D印刷. Small Methods, 8(6), 2301197. https://doi.org/10.1002/smtd.202301197