TED日本語 - アンソニー・アタラ: 臓器を印刷する試み


TED Talks(英語 日本語字幕付き動画)

TED日本語 - アンソニー・アタラ: 臓器を印刷する試み

TED Talks


Printing a human kidney


Anthony Atala






There's actually a major health crisis today in terms of the shortage of organs. The fact is that we're living longer. Medicine has done a much better job of making us live longer, and the problem is, as we age, our organs tend to fail more, and so currently there are not enough organs to go around. In fact, in the last 10 years, the number of patients requiring an organ has doubled, while in the same time, the actual number of transplants has barely gone up. So this is now a public health crisis.

So that's where this field comes in that we call the field of regenerative medicine. It really involves many different areas. You can use, actually, scaffolds, biomaterials -- they're like the piece of your blouse or your shirt -- but specific materials you can actually implant in patients and they will do well and help you regenerate. Or we can use cells alone, either your very own cells or different stem cell populations. Or we can use both. We can use, actually, biomaterials and the cells together. And that's where the field is today.

But it's actually not a new field. Interestingly, this is a book that was published back in 1938. It's titled "The Culture of Organs." The first author, Alexis Carrel, a Nobel Prize winner. He actually devised some of the same technologies used today for suturing blood vessels, and some of the blood vessel grafts we use today were actually designed by Alexis. But I want you to note his co-author: Charles Lindbergh. That's the same Charles Lindbergh who actually spent the rest of his life working with Alexis at the Rockefeller Institute in New York in the area of the culture of organs.

So if the field's been around for so long, why so few clinical advances? And that really has to do to many different challenges. But if I were to point to three challenges, the first one is actually the design of materials that could go in your body and do well over time. And many advances now, we can do that fairly readily. The second challenge was cells. We could not get enough of your cells to grow outside of your body. Over the last 20 years, we've basically tackled that. Many scientists can now grow many different types of cells. Plus we have stem cells. But even now,2011, there's still certain cells that we just can't grow from the patient. Liver cells, nerve cells, pancreatic cells -- we still can't grow them even today. And the third challenge is vascularity, the actual supply of blood to allow those organs or tissues to survive once we regenerate them.

So we can actually use biomaterials now. This is actually a biomaterial. We can weave them, knit them, or we can make them like you see here. This is actually like a cotton candy machine. You saw the spray going in. That was like the fibers of the cotton candy creating this structure, this tubularized structure, which is a biomaterial that we can then use to help your body regenerate using your very own cells to do so. And that's exactly what we did here.

This is actually a patient who [ was ] presented with a deceased organ, and we then created one of these smart biomaterials, and then we then used that smart biomaterial to replace and repair that patient's structure. What we did was we actually used the biomaterial as a bridge so that the cells in the organ could walk on that bridge, if you will, and help to bridge the gap to regenerate that tissue. And you see that patient now six months after with an X-ray showing you the regenerated tissue, which is fully regenerated when you analyze it under the microscope. We can also use cells alone. These are actually cells that we obtained. These are stem cells that we create from specific sources, and we can drive them to become heart cells, and they start beating in culture. So they know what to do. The cells genetically know what to do, and they start beating together. Now today, many clinical trials are using different kinds of stem cells for heart disease. So that's actually now in patients.

Or if we're going to use larger structures to replace larger structures, we can then use the patient's own cells, or some cell population, and the biomaterials, the scaffolds, together. So the concept here: so if you do have a deceased or injured organ, we take a very small piece of that tissue, less than half the size of a postage stamp. We then tease the cells apart, we grow the cells outside the body. We then take a scaffold, a biomaterial -- again, looks very much like a piece of your blouse or your shirt -- we then shape that material, and we then use those cells to coat that material one layer at a time -- very much like baking a layer cake, if you will. We then place it in an oven-like device, and we're able to create that structure and bring it out. This is actually a heart valve that we've engineered, and you can see here, we have the structure of the heart valve and we've seeded that with cells, and then we exercise it. So you see the leaflets opening and closing -- of this heart valve that's currently being used experimentally to try to get it to further studies.

Another technology that we have used in patients actually involves bladders. We actually take a very small piece of the bladder from the patient -- less than half the size of a postage stamp. We then grow the cells outside the body, take the scaffold, coat the scaffold with the cells -- the patient's own cells,two different cell types. We then put it in this oven-like device. It has the same conditions as the human body -- 37 degrees centigrade,95 percent oxygen. A few weeks later, you have your engineered organ that we're able to implant back into the patient. For these specific patients, we actually just suture these materials. We use three-dimensional imagining analysis, but we actually created these biomaterials by hand.

But we now have better ways to create these structures with the cells. We use now some type of technologies, where for solid organs, for example, like the liver, what we do is we take discard livers. As you know, a lot of organs are actually discarded, not used. So we can take these liver structures, which are not going to be used, and we then put them in a washing machine-like structure that will allow the cells to be washed away. Two weeks later, you have something that looks like a liver. You can hold it like a liver, but it has no cells; it's just a skeleton of the liver. And we then can re-perfuse the liver with cells, preserving the blood vessel tree. So we actually perfuse first the blood vessel tree with the patient's own blood vessel cells, and we then infiltrate the parenchyma with the liver cells. And we now have been able just to show the creation of human liver tissue just this past month using this technology.

Another technology that we've used is actually that of printing. This is actually a desktop inkjet printer, but instead of using ink, we're using cells. And you can actually see here the printhead going through and printing this structure, and it takes about 40 minutes to print this structure. And there's a 3D elevator that then actually goes down one layer at a time each time the printhead goes through. And then finally you're able to get that structure out. You can pop that structure out of the printer and implant it. And this is actually a piece of bone that I'm going to show you in this slide that was actually created with this desktop printer and implanted as you see here. That was all new bone that was implanted using these techniques.

Another more advanced technology we're looking at right now, our next generation of technologies, are more sophisticated printers. This particular printer we're designing now is actually one where we print right on the patient. So what you see here -- I know it sounds funny, but that's the way it works. Because in reality, what you want to do is you actually want to have the patient on the bed with the wound, and you have a scanner, basically like a flatbed scanner. That's what you see here on the right side. You see a scanner technology that first scans the wound on the patient and then it comes back with the printheads actually printing the layers that you require on the patients themselves.

This is how it actually works. Here's the scanner going through, scanning the wound. Once it's scanned, it sends information in the correct layers of cells where they need to be. And now you're going to see here a demo of this actually being done in a representative wound. And we actually do this with a gel so that you can lift the gel material. So once those cells are on the patient they will stick where they need to be. And this is actually new technology still under development.

We're also working on more sophisticated printers. Because in reality, our biggest challenge are the solid organs. I don't know if you realize this, but 90 percent of the patients on the transplant list are actually waiting for a kidney. Patients are dying every day because we don't have enough of those organs to go around. So this is more challenging -- large organ, vascular, a lot of blood vessel supply, a lot of cells present. So the strategy here is -- this is actually a CT scan, an X-ray -- and we go layer by layer, using computerized morphometric imaging analysis and 3D reconstruction to get right down to those patient's own kidneys. We then are able to actually image those, do 360 degree rotation to analyze the kidney in its full volumetric characteristics, and we then are able to actually take this information and then scan this in a printing computerized form. So we go layer by layer through the organ, analyzing each layer as we go through the organ, and we then are able to send that information, as you see here, through the computer and actually design the organ for the patient. This actually shows the actual printer. And this actually shows that printing.

In fact, we actually have the printer right here. So while we've been talking today, you can actually see the printer back here in the back stage. That's actually the actual printer right now, and that's been printing this kidney structure that you see here. It takes about seven hours to print a kidney, so this is about three hours into it now. And Dr. Kang's going to walk onstage right now, and we're actually going to show you one of these kidneys that we printed a little bit earlier today. Put a pair of gloves here. Thank you. Go backwards. So, these gloves are a little bit small on me, but here it is. You can actually see that kidney as it was printed earlier today.


Has a little bit of consistency to it. This is Dr. Kang who's been working with us on this project, and part of our team. Thank you, Dr. Kang. I appreciate it.


So this is actually a new generation. This is actually the printer that you see here onstage. And this is actually a new technology we're working on now. In reality, we now have a long history of doing this. I'm going to share with you a clip in terms of technology we have had in patients now for a while.

And this is actually a very brief clip -- only about 30 seconds -- of a patient who actually received an organ.

(Video) Luke Massella: I was really sick. I could barely get out of bed. I was missing school. It was pretty much miserable. I couldn't go out and play basketball at recess without feeling like I was going to pass out when I got back inside. I felt so sick. I was facing basically a lifetime of dialysis, and I don't even like to think about what my life would be like if I was on that. So after the surgery, life got a lot better for me. I was able to do more things. I was able to wrestle in high school. I became the captain of the team, and that was great. I was able to be a normal kid with my friends. And because they used my own cells to build this bladder, it's going to be with me. I've got it for life, so I'm all set.


Juan Enriquez: These experiments sometimes work, and it's very cool when they do. Luke, come up please.


So Luke, before last night, when's the last time you saw Tony?

LM: Ten years ago, when I had my surgery -- and it's really great to see him.



JE: And tell us a little bit about what you're doing.

LM: Well right now I'm in college at the University of Connecticut. I'm a sophomore and studying communications, TV and mass media, and basically trying to live life like a normal kid, which I always wanted growing up. But it was hard to do that when I was born with spina bifida and my kidneys and bladder weren't working. I went through about 16 surgeries, and it seemed impossible to do that when I was in kidney failure when I was 10. And this surgery came along and basically made me who I am today and saved my life.


JE: And Tony's done hundreds of these?

LM: What I know from, he's working really hard in his lab and coming up with crazy stuff. I know I was one of the first 10 people to have this surgery. And when I was 10, I didn't realize how amazing it was. I was a little kid, and I was like, "Yeah. I'll have that. I'll have that surgery." (Laughter) All I wanted to do was to get better, and I didn't realize how amazing it really was until now that I'm older and I see the amazing things that he's doing.

JE: When you got this call out of the blue -- Tony's really shy, and it took a lot of convincing to get somebody as modest as Tony to allow us to bring Luke. So Luke, you go to your communications professors -- you're majoring in communications -- and you ask them for permission to come to TED, which might have a little bit to do with communications, and what was their reaction?

LM: Most of my professors were all for it, and they said, "Bring pictures and show me the clips online," and "I'm happy for you." There were a couple that were a little stubborn, but I had to talk to them. I pulled them aside.

JE: Well, it's an honor and a privilege to meet you. Thank you so much. (LM: Thank you so much.)

JE: Thank you, Tony.


現在 臓器不足という大きな 医療問題があります 私たちは長生きするようになりました 私たちを長生きさせるため 医学はとても良い仕事をしています 問題は 年を取るにつれて 臓器が故障しやすくなるということです そのため 現在 臓器が不足しています 実際この10年で 臓器を必要とする患者の数は 2倍に増えましたが 同じ時期に 臓器移植の方は ほとんど増えていません 医療における危機的な問題です

そこで再生医療と呼ばれる 分野が注目されています 実際にはたくさんの領域が関わっています 型だとか 生体材料を使います これはシャツの切れ端みたいなものですが 患者に移植できる特殊な素材で 体の再生を助けます 細胞だけ使うこともあります その人自身の細胞や 別の幹細胞です あるいは同時に 生体材料と細胞の 両方を使うこともできます それがこの分野の現状です

これは実のところ新しい分野ではありません 興味深いことに これは 1938年に出された本です 題名は「臓器の培養」 第一著者はノーベル賞受賞者のアレクシス・カレルです 血管の縫合に現在使われている 方法を彼は考案しています 現在使われている血管移植片も カレルが設計したものです しかし共著者に注目してほしいのです チャールズ・リンドバーグ あのチャールズ・リンドバーグです 彼は残りの人生を カレルとともに ニューヨークのロックフェラー研究所で 臓器培養の研究に費やしました

この分野がそんなに昔からあるのなら なぜ臨床が進んでいないのでしょう? 様々な難問が絡んでいるためなのですが 3つだけ挙げるとしたら 第一は体内で長期間 うまく使うことのできる 素材の開発です 今ではとても発展していて 非常にうまく行えるようになりました 第二の問題は細胞です 体外でうまく育てられない細胞が多かったのです この20年私たちは この問題に取り組んできました 今では様々な細胞を育てられるようになり それに幹細胞もあります しかし2011年の今になっても 患者から取り出して育てられない細胞があります 肝細胞 神経細胞 膵臓細胞 これらの細胞は今でも育てられません そして第三の難問は脈管です 再生した臓器や組織が 生き続けられるように 血液を供給するという問題です

今や生体材料があり これがそうですが 織ったり 編んだりし こんなものも作れます 綿飴の機械のようです 吹き付けているところです 綿飴の繊維のようなもので チューブ状の構造を作っています この生体材料を使って 体が自らの細胞により 再生するのを 助けることができます それがこの例でやったことです

これは臓器に 問題のある患者で 私たちはこのような ハイテクな生体材料を作り 患者の部位と交換し 修復しました 私たちがやったのは 生体材料で橋を作り 臓器の細胞が その橋を渡って 組織を再生できるよう ギャップを橋渡しするということです 6ヶ月たった今 再生された組織をX線で確認できます 顕微鏡で調べると 完全に再生されているのが分かります 細胞だけでやることもできます これは私たちが用意した細胞で 特別なところから得た幹細胞を 心臓細胞へと分化させたものです すると培養液の中で 鼓動を始めます 何をすべきか分かっているのです 細胞は何をすべきか知っており 一緒に鼓動をし始めるのです 今日では多くの臨床試験で 様々な種類の幹細胞が 心臓病に対して使われています これは実際 患者に適用されているのです

大きな構造を交換するために 大きな構造が必要な場合 患者自身の細胞か 何らかの細胞と 生体材料と 型を 同時に使います このやり方ではまず 病気ないしは損傷した臓器から ごく小さな 切手の半分くらいの大きさの組織を取り それを細胞ごとにばらして 体外で培養します それから型や 生体材料を用意します さっきも言った シャツの切れ端みたいなものです その素材で形を作り 一層一層その素材を 細胞で覆っていきます レイヤーケーキを作るのに似ています それをオーブンのような装置に入れて 必要な構造を作り 取り出します これは私たちが作った 心臓の弁です 心臓弁の構造があり 細胞をそこに蒔き 運動させます 葉のような部分が開閉していますね この心臓弁は まだ実験段階で さらに研究を進めているところです

実際患者に適用した 別のテクノロジーとして 膀胱に対するものがあります 患者の膀胱からごく小さな 切手の半分くらいの組織を取り 細胞を体外で培養し その細胞で用意した型を覆います 患者自身の細胞を 2種類使います それをオーブンのような装置に入れ ヒトの体内と同じ条件にします 37度の温度と95パーセントの酸素 数週間すると 患者に移植できる 臓器ができあがります 患者のために 素材を縫い合わせて作っています 3次元的な画像分析を行っていますが 実際これらの生体材料を手で作っているのです

しかし今ではこういった構造を 細胞から作るもっと良い方法があります ある種のテクノロジーを使って 肝臓のような 中身の詰まった臓器に 取り組んでいます 廃棄された肝臓を使います 使われずに処分される臓器がたくさんあります そういった破棄される 臓器を手に入れ 洗濯機のような装置に入れ 細胞を洗い落とします 2週間後 肝臓のようなものが得られます 肝臓のように見えますが 細胞のない 形だけの肝臓です その肝臓を 血管樹を維持したまま 再び細胞で埋めます 最初 患者自身の血管細胞を 血管樹に行き渡らせ それから実質組織に 肝細胞を浸透させます このテクノロジーを使った ヒトの肝組織の生成は つい先月 ご覧いただけるまでになりました

私たちが使っている もう1つのテクノロジーは印刷です これは普通のインクジェットプリンターですが インクの代わりに 細胞を使っています 印字ヘッドが行き来して 構造を印刷しています この構造の印刷には 40分ほどかかります 印字ヘッドが通るたびに 3次元のエレベーターが一段ずつ 下がっていくようになっています 最後にこの構造ができあがります できた構造を取り出して移植します ご覧頂いている スライドの中の骨は プリンタで作り 移植したものです このテクニックを使って まったく新しい骨を作って移植したのです

次は さらに進んだテクノロジー 我々の次世代技術で より洗練されたプリンタです このプリンタは患者の体に直接 印刷するようデザインされています おかしな話に聞こえるのは 分かっていますが 実際そうなっているのです やりたいことは 怪我をしている患者をベッドに横たえ フラットベッドスキャナで スキャンします 右の絵がそうです スキャナが最初に 患者の傷をスキャンして 次に印字ヘッドが 患者の上に 必要な層を 直接印刷します

これが実際の仕組みです スキャナが傷を スキャンしていきます スキャンできたら どこに どの細胞が必要になるかという 情報に応じて印刷します こちらは 典型的な傷に対して 実際に印刷しているところです ジェル状になっていて つまみ上げることができます ですからこの細胞が患者の体に付くと 必要な場所に留まるようになっています まだ開発途上の 新しいテクノロジーです

私たちはもっと洗練されたプリンタにも取り組んでいます 実際上 私たちにとって最大の課題は 中身の詰まった臓器です ご存じかわかりませんが 移植待ちリストに載っている患者の90%は 腎臓を待っているのです 臓器が十分にないため 患者が毎日亡くなっています これはより困難な問題です 大きな臓器 脈管 多量の血液供給 たくさんの細胞が必要です ここで取っている戦略は これはCTスキャンとX線の画像ですが 層ごとにコンピュータを使った 形態計測と画像解析を行い 患者自身の腎臓の 3次元イメージを再構成します そうすると イメージを表示し 360度回転させて 腎臓の容積特性を 詳細に分析し 情報を 取得することができ それをスキャンして 印刷できるデジタル情報にします そして臓器を断層的に見ていき それぞれの層を分析します その情報を コンピュータを通して送り 患者に合った臓器を デザインします これがそのプリンタで 印刷を実際に行っているところです

そのプリンタを この会場に持ってきました ですからこの講演の間 ステージの後ろにあるプリンタを 実際にご覧いただけます 本物のプリンタが ご覧のように 腎臓の構造を印刷しています 腎臓の印刷には7時間ほどかかります 今3時間くらいまで来たところです カン博士に来てもらいましょう 今日前もって印刷しておいた 腎臓をお見せします 手袋をはめましょう ありがとう ちょっと待って この手袋はどうも私には小さいようですが ご覧ください 今日印刷した腎臓です


ほんのちょっとずれているところがあります カン博士はこのプロジェクトで働いている チームの一員です どうもありがとう カン博士 助かります


これが新世代技術です ステージ上で実物をご覧いただいています 私たちが今取り組んでいる新しいテクノロジーです 実を言えば 私たちはこのようなことを長い間してきました すでに患者に適用しているテクノロジーを ビデオでお見せしましょう

ごく短いビデオクリップで 30秒ほどです こういう臓器を移植した患者です

ベッドから出るのも大変なほど ひどい病気で 学校もなかなか行けず 本当に惨めでした 休み時間に外へ出て バスケなどしようものなら 戻ってくる頃には 気を失いそうになっています ひどい状態だったんです 基本的に一生透析を続けることになっていて 自分の人生が今後どうなるのか 考えたくもありませんでした この手術の後 僕の人生はずっと良くなりました いろんなことが できるようになり 高校ではレスリングをやりました チームのキャプテンになって 最高でした 友達とも普通の子として遊べました 膀胱を作るのに使われたのは 僕自身の細胞なので 体によく馴染んでいます 僕は人生を生きていける準備ができたのです


こういった実験は 時にうまくいき うまくいったときには すごくいいものです ルーク こちらへ


ルーク 昨夜以前に アンソニーに会ったのはいつ?

10年前 手術をしたときです 彼に出会えて 本当によかったです



今どんなことをしているのか 話してくれるかな?

今コネチカット大学に通っています 2年で コミュニケーション学科でテレビとメディアを専攻しています 基本的に普通の子と同じように生きようとしています 子どもの時からずっと望んでいたことですが 二分脊椎症で 腎臓も膀胱も機能していない人間には難しいことでした 16回手術を受けましたが 不可能に思えました 10歳のときに腎不全になり そしてこの手術を受け それが今日の僕を作り 僕の命を救ったのです



僕が知っているのは 彼が実験室で本当に熱心に働き すごいものを作り続けているということです 僕はこの手術を受けた最初の10人の1人でした 10歳の時には それがどんなにすごいことか分かっていませんでした 小さな子どもで 「ああ 手術をするんだ」としか 思っていませんでした (笑) 僕が望んでいたのは ただ良くなることで 今こうして成長し 彼のしていることを目にするまで それがどんなにすごいことなのか分かってなかったんです

そして突然この連絡を受けたんだね アンソニーは本当にシャイで ルークを引っ張り出すことを 彼のように控えめな人間に 認めてもらうのは大変でした それで コミュニケーション学科の 先生たちのところへ TEDに出る許可をもらいに行って TEDはコミュニケーションにも多少 関係があると思うけど 先生たちの反応はどうだった?

大半の先生たちは大賛成で 「写真を撮ってきてくれ」とか 「あとでビデオを見せてくれ」とか「良かったな」と言ってくれました ほんの少し頑固な人もいましたけど 話を付けたので 問題ありません

君に会えてとても嬉しかった 本当にありがとう (ルーク: ありがとうございます)

ありがとう アンソニー


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