もし、医師が拍動する心臓の「内部」を覗きながら、組織の修復に必要な細胞を詰めたマイクロカプセルを、まるでSF映画のようにピンポイントで“印刷”できるとしたら…。そんな未来の医療が、もうすぐそこまで来ています。カリフォルニア工科大学が主導する科学者チームが、生きた動物の体の奥深く、特定の場所に高分子を3Dプリンティングする手法を開発し、この究極の目標に向けて大きな一歩を踏み出しました。この技術は音（超音波）を使って位置を特定するもので、すでに薬剤を標的の場所に届けるためのポリマーカプセルの印刷や、体内の傷を塞ぐ接着剤のようなポリマーの形成にも使用されています。
これまでも、赤外光を使って生体内でポリマーの基本単位（モノマー）を結合させる重合を誘発する試みはありましたが、「赤外光の到達範囲は非常に限られており、皮膚のすぐ下までしか届きません」と、Caltechの医用生体工学教授であり、ヘリテージ医学研究所の研究員でもあるウェイ・ガオ博士（Wei Gao, PhD）は語ります。「私たちの新技術は深部組織にまで到達し、優れた生体適合性を維持しながら、幅広い用途のために多様な材料を印刷することができます」。
ガオ博士らのチームは、この新しい生体内3Dプリンティング技術について、2025年5月8日発行の学術誌「Science」で報告しました。この論文では、生体接着性ゲルや薬物・細胞送達用のポリマーに加え、心電図のように体内の生理的なバイタルサインを監視するための導電性材料を埋め込んだポリマーである、生体電子ヒドロゲルの印刷にもこの技術が利用できることが述べられています。この研究の筆頭著者は、ユタ大学機械工学部の助教であるエルハム・ダボディ博士（Elham Davoodi, PhD）で、彼女はCaltechの博士研究員時代にこの研究を完成させました。Science誌の論文タイトルは、「Imaging-Guided Deep Tissue in Vivo Sound Printing（画像誘導による深部組織での生体内音響プリンティング）」です。
新しいアイデアの源泉
深部組織での生体内プリンティングを実現する方法を模索していたガオ博士らは、深部組織への到達能力で生物医学分野において広く利用されているプラットフォーム、超音波に着目しました。しかし、彼らが必要としたのは、特定の場所で、かつ望む時にだけモノマーの結合（架橋）を引き起こす方法でした。
そこで彼らが考案したのが、超音波と低温感受性リポソームを組み合わせるという斬新なアプローチです。リポソームは、保護的な脂質層を持つ球状の細胞のような小胞で、ドラッグデリバリーによく利用されます。今回の研究では、科学者たちはこのリポソームに架橋剤を詰め込み、印刷したいポリマーのモノマー、架橋が起こったことを知らせる画像造影剤、そして届けたい荷物（例えば治療薬）を含むポリマー溶液に混ぜ込みました。さらに、細胞や、カーボンナノチューブや銀のような導電性材料といった追加要素を含めることも可能です。この複合バイオインクは、その後、体内に直接注入されます。
温度をわずかに上げてプリンティングを開始
リポソーム粒子は低温に敏感です。つまり、集束超音波を用いてターゲットとなる小さな領域の温度を約5℃上昇させるだけで、科学者たちはリポソームの中身を放出させ、ポリマーの印刷を開始することができるのです。
「温度を数度上げるだけで、リポソーム粒子から架橋剤が放出されます」とガオ博士は言います。「その薬剤が放出された場所で、局所的な重合、つまりプリンティングが起こるのです」。
チームは、画像造影剤としてバクテリア由来のガスベシクル（気体で満たされたタンパク質のカプセル）を使用します。このベシクルは超音波画像で鮮明に映り、液体のモノマー溶液が架橋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。この変化が起こるとベシクルのコントラストが実際に変化し、超音波画像で検出されるため、科学者はいつ、どこで正確に重合架橋が起こったかを容易に特定でき、生きた動物内で印刷するパターンをカスタマイズすることが可能になります。
チームはこの新技術を、深部組織生体内音響プリンティングプラットフォームと名付けました。
チームがDISPプラットフォームを用いて、化学療法薬である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の近くに印刷したところ、薬剤溶液を直接注射した動物と比較して、数日間にわたり腫瘍細胞の死滅が大幅に増加したことが確認されました。
「私たちはすでに、小動物において腫瘍治療のために薬剤を搭載したヒドロゲルを印刷できることを示しました」とガオ博士は述べています。「次の段階は、より大きな動物モデルで印刷を試み、そして近い将来、人間で評価できることを願っています」。
チームはまた、機械学習がDISPプラットフォームの集束超音波を正確に特定し適用する能力を高めることができると考えています。「将来的には、人工知能（AI: Artificial Intelligence）の助けを借りて、拍動する心臓のような動いている臓器内で高精度なプリンティングを自律的に行えるようにしたいと考えています」とガオ博士は語ります。
本論文の共著者には、Caltechの大学院生であるジアホン・リー（Jiahong Li (MS ’23)）、シャオティエン・マー（Xiaotian Ma (MS ’24)）、サンホ・リー（Sunho Lee）、ジー・ウォン・ヤン（Jee Won Yang (MS ’23)）のほか、ロサンゼルスのテラサキ・バイオメディカル・イノベーション研究所のアリレザ・ハッサニ・ナジャファバディ（Alireza Hassani Najafabadi）、アリ・カデムホッセイニ（Ali Khademhosseini）、ホセイン・モンタゼリアン（Hossein Montazerian）、南カリフォルニア大学（USC）のゲンシ・ルー（Gengxi Lu）、ユシュン・ゼン（Yushun Zeng）、チーファ・ジョウ（Qifa Zhou）、カリフォルニア大学ロサンゼルス校（UCLA）のジェイソン・ウィリアムズ（Jason Williams）、シャービン・S・ニア（Shervin S. Nia）、ツン・K・シャイ（Tzung K. Hsiai）、ポール・S・ワイス（Paul S. Weiss）、Caltech医用生体工学客員研究員のジョンヒョン・ユ（Jounghyun Yoo）、Caltech医用生体工学博士研究員フェローシップ研修生のグァンムク・キム（Gwangmook Kim）、現在ライス大学に所属するレイ・S・リー博士（Lei S. Li (PhD ’19)）、元Caltech博士研究員のジヤン・ジン博士（Zhiyang Jin (PhD ’24)）、ベナム・サドリ（Behnam Sadri）、エサン・シルザエイ・サニ（Ehsan Shirzaei Sani）、Caltechのブレン記念講座教授（医用生体工学・電気工学）兼アンドリュー＆ペギー・チャン医用生体工学リーダーシップ講座主任であるリーホン・V・ワン（Lihong V. Wang）、Caltechの研究科学者兼DeepMICセンター長であるディ・ウー博士（Di Wu (PhD ’21)）、そしてCaltechのマックス・デルブリュック記念講座教授（化学工学・医用生体工学）兼ハワード・ヒューズ医学研究所研究員であるミハイル・G・シャピロ（Mikhail G. Shapiro）が名を連ねています。
蛍光顕微鏡観察は、UCLAのカリフォルニア・ナノシステム研究所にある先端光顕微鏡/分光分析研究室およびライカ・センター・オブ・エクセレンスにて実施されました。
ウェイ・ガオ博士（Wei Gao, PhD）
