世界初、3Dプリンターから開発した高解像度脳：E-HEALTH-COM

MedUni Vienna と TU Vienna の共同プロジェクトで、世界初の 3D プリント「脳ファントム」が開発されました。これは脳線維の構造をモデルにしており、特殊な磁気共鳴画像法 (dMRI) を使用して画像化することができます。 MedUni Vienna と TU Vienna が率いる科学チームが今回の研究で示したように、これらの脳モデルはアルツハイマー病、パーキンソン病、多発性硬化症などの神経変性疾患の研究を進めるために使用できることがわかりました。 この研究は「Advanced Materials Technologies」誌に掲載された。

磁気共鳴画像法 (MRI) は、主に脳の検査に使用される、広く使用されている画像診断手法です。 MRI は、電離放射線を使用せずに脳の構造と機能を検査するために使用できます。 MRI の特別な変形である拡散強調 MRI (dMRI) では、脳内の神経線維の方向も決定できます。 しかし、異なる方向の神経線維が重なり合っているため、神経線維束の交差点における神経線維の方向を正確に決定することは非常に困難です。 プロセスと試験の分析および評価方法をさらに改善するために、ウィーン医科大学およびウィーン工科大学と協力した国際チームは、高解像度の 3D プリンティングプロセスを使用して製造された、いわゆる「脳ファントム」を開発しました。

マイクロチャネルを備えた小さな立方体
MRI の専門家としてウィーン医科大学の研究者、3D プリンティングの専門家としてウィーン工科大学の研究者が、チューリッヒ大学およびハンブルク エッペンドルフ大学病院の同僚と緊密に連携しました。 すでに 2017 年に、高度なスケールの印刷を可能にする 2 光子重合プリンターがウィーン工科大学で開発されました。 その過程で、ウィーン医科大学やチューリッヒ大学と共同で脳ファントムの応用にも取り組みました。 結果として得られた特許は、現在開発されている脳ファントムの基礎を形成しており、ウィーン工科大学の研究と移転支援によって管理されています。

視覚的には、このファントムは本物の脳とあまり共通点がありません。 それははるかに小さく、立方体のような形をしています。 内部には、個々の脳神経ほどの大きさの水で満たされた最も微細なマイクロチャネルがあります。 これらのチャネルの直径は人間の髪の毛よりも 5 倍細いです。 脳内の神経細胞の微細なネットワークを模倣するために、筆頭著者の Michael Woletz (ウィーン MedUni 医用物理学および生体医工学工学センター) と Franziska Chalupa-Gantner (TU の 3D プリンティングおよびバイオファブリケーション研究グループ) が率いる研究チームは、ウィーン) は、2 光子重合というかなり珍しい 3D プリンティング手法を使用しました。 この高解像度の方法は主にナノおよびマイクロメートル範囲の微細構造を印刷するために使用され、立方ミリメートル範囲の三次元構造を印刷するためには使用されません。 dMRI に適したサイズのファントムを作成するために、ウィーン工科大学の研究者らは 3D プリンティング プロセスをスケールアップし、より大きなオブジェクトを高解像度の詳細でプリンティングできるようにすることに取り組みました。 高度な 3D プリンティングのおかげで、研究者らは、dMRI を使用して観察すると、さまざまな神経構造を割り当てることができる非常に優れたモデルを取得できました。 Michael Woletz は、dMRI の診断機能を向上させるこのアプローチを携帯電話のカメラの仕組みに例えています。「携帯電話のカメラでの写真撮影における最大の進歩は、必ずしも新しい、より優れたレンズによるものではなく、撮影された画像を改善するソフトウェアによるものであることがわかります。」 。 dMRI も同様です。新しく開発された脳ファントムを使用すると、分析ソフトウェアをより正確に調整できるため、測定データの品質が向上し、脳の神経構造をより正確に再構築できます。」

脳ファントムトレイン解析ソフトウェア
したがって、dMRI 解析ソフトウェアを「トレーニング」するには、脳内の特徴的な神経構造を正確に複製することが重要です。 3D プリントを使用すると、変更やカスタマイズが可能な多様で複雑なデザインを作成できます。 脳ファントムは、交差する神経経路など、特に複雑な信号を生成するため分析が困難な脳内の領域を描写します。 解析ソフトウェアを校正するために、脳ファントムをdMRIで検査し、測定データを本物の脳と同様に解析します。 3D プリンティングにより、ファントムの設計が正確に把握され、解析結果を確認できます。 MedUni Vienna と TU Vienna は、これが共同研究の一環として機能することを示すことができました。 開発されたファントムの助けを借りて、dMRI を改善することができ、アルツハイマー病、パーキンソン病、多発性硬化症などの神経変性疾患の手術や研究の計画に役立ちます。

概念実証にもかかわらず、チームは引き続き課題に直面しています。 現在の最大の課題は、この方法を拡張することです。「二光子重合の高解像度により、マイクロおよびナノメートル範囲の細部の印刷が可能になるため、脳神経のイメージングに非常に適しています。 同時に、この技術を使用すると、数立方センチメートルの立方体を印刷するには、それに応じて長い時間がかかります」と Chalupa-Gantner 氏は説明します。 「したがって、私たちはさらに複雑なデザインを開発するだけでなく、印刷プロセス自体をさらに最適化することも目指しています。」

出版物: 先端材料技術
脳の印刷に向けて: MRI 用の微細構造グラウンド トゥルース ファントム。
マイケル・ウォレツ、フランツィスカ・チャルーパ＝ガントナー、ベネディクト・ハーガー、アレクサンダー・リッケ、シアウーシュ・モハマディ、ステファン・ビンダー、ステファン・バウディス、アレクサンドル・オブシアニコフ、クリスチャン・ヴィンディッシュベルガー、ゾルタン・ナジ。
doi.org/10.1002/admt.202300176

出典: MedUni ウィーン