体外で骨を育てることは可能か？その科学を理解する

要約

本記事では、人体外で骨を育てる可能性について探求します。まず、骨が体内で自然に成長する方法と、骨芽細胞と骨吸収細胞の重要性について説明します。次に、現在の骨の損傷や欠損の解決策の限界と、患者自身の細胞から作られたカスタマイズされた骨が必要な理由について議論します。最後に、バイオリアクターで骨を育てるプロセスと、この技術の将来性について説明します。

体内での骨の成長方法

骨は、成長する胎児の柔らかく柔軟な軟骨から始まります。骨形成細胞がカルシウムやリン酸などの元素で作られたスポンジ状の鉱物格子で軟骨を置き換えます。この格子は、特殊な骨形成細胞である骨芽細胞がより多くの鉱物を沈着させることで硬くなり、骨に強度を与えます。格子自体は生きている細胞で作られていませんが、血管や神経、その他の生きている組織のネットワークが特別なチャネルや通路を通じて成長します。発達の過程で、骨芽細胞の軍団が器官を保護し、動かすことができ、血液細胞を生産する骨格を強化します。しかし、この初期の構築プロセスだけでは、骨を強く機能的にするには十分ではありません。

現在の骨損傷や欠損の解決策の限界

骨が折れたとき、体はその骨を再構築する驚くべき能力を持っています。しかし、がんの除去、外傷性事故、遺伝的欠陥など、一部の状況では、体の自然な修復能力を超えてしまいます。歴史的な解決策には、金属、動物の骨、または人間のドナーからの骨片で欠損部位を埋めることが含まれています。しかし、これらのいずれも最適な解決策ではありません。感染を引き起こしたり、免疫系に拒絶されたりすることがあり、健康な骨のほとんどの機能を果たすことができません。

体外で骨を育てるプロセス

科学者たちは、患者自身の細胞から作られ、欠損部位の正確な形状に合わせてカスタマイズされた骨を育てる可能性を現在探求しています。まず、医師は患者の脂肪組織から幹細胞を採取し、CTスキャンで欠損した骨の正確な寸法を決定します。次に、3Dプリンターで正確な穴の形状をモデル化するか、脱細胞化された牛の骨を刻むことで、正確な形状をモデル化します。脱細胞化された骨は、すべての細胞が取り除かれ、スポンジ状の鉱物格子だけが残された骨です。次に、患者の幹細胞をこの格子に加え、体内にあるすべての条件をシミュレートするデバイスであるバイオリアクターに入れます。

温度、湿度、酸性度、栄養成分の組成は、幹細胞が骨芽細胞や他の細胞に分化し、鉱物格子を植民化し、生きた組織でリモデリングするために適切である必要があります。しかし、1つのことが欠けています。人工骨は本物のストレスを経験する必要があります。そうでなければ、弱くてもろい状態で出てきてしまいます。したがって、バイオリアクターは常に骨周りに流体をポンプし、圧力が骨密度を増やすよう骨芽細胞に指示します。3週間以内に、今や生きている骨はバイオリアクターから出て、患者の体内に移植する準備ができています。