●人工臓器 ─ 最近の進歩 人工血管 ─脱細胞組織をベースにした再生型小口径血管─ 国立循環器病研究センター研究所・生体医工学部 山岡 哲二 Tetsuji YAMAOKA ち着くこととなる 3) 。 1 ． はじめに 我が国では，年間約 70,000 本の人工血管が使用され，そ 3. 小口径人工血管開発の常識と非常識 の市場は 80 億円に上る。市販されている人工血管は，ポリ PET と ePTFE という材質の人工血管作製における守備 エチレンテレフタレート（PET）繊維製，延伸ポリテトラフ 範囲は明確である。PET 繊維のメリヤス編みや平織りとい ルオロエチレン（ePTFE）製，ポリウレタン製，生体由来材 う形状，キンク（折れ曲がりで管がつぶれる状況）を防ぐた 料製であり，近年，国産人工血管も少しずつシェアを伸ば めの蛇腹構造や，器質化（仮性内膜の形成を通じた血管壁 しつつある 1) 。非常に安定した人工臓器と思われがちであ の治癒）を目指した内腔のベロア構造化など，いずれも， るが，必ずしも完成されたものではなく，解決すべき大き タンパク質吸着，血小板粘着，細胞付着の亢進につながる な課題は，感染，成長する小児患者に対する適応の困難さ， ものであり，いわゆる抗血栓性を示すものではない。その そして，小口径血管の早期閉塞である。国立循環器病研究 ために，主に直径 10 mm 以上の大口径血管として使用され センター研究所では，これらの問題点を解決すべく異種脱 ており，最小口径でも 7 mm 程度が開存性の限度である。 細胞組織をベースとした人工血管開発を進め，最近，大き 一方，ePTFE はその高い疎水性のために，タンパク質吸着 な成果をあげるに至った。 性・細胞接着性が低い，いわゆる抗血栓性材料の一つであ り，その結果，直径 5 mm 程度の中口径血管も市販されて 人工血管 2. いる。小児 Blalock-Taussig（BT）シャントという特殊な適 世界で初めての合成材料製の人工血管は，Voorhees らに より 1952 年に報告された。彼らは，Vinyon N（ポリ塩化ビ 応に関しては長さが数 cm の利用ではあるものの，直径 3 mm の ePTFE 製人工血管も市販されている。 ニル繊維）シートで作製した大口径人工血管（長さ 1 ∼ 6 このような状況を考えると，未だ実用化されていない小 cm）を成犬腹部大動脈に 15 例移植し，半年近い開存を報告 口径人工血管の開発戦略としては，さらに優れた抗血栓性 している 2) 。初期の人工心臓と同様に合成材料の柔軟かつ を達成するのが妥当であり，我々もその方針で研究を続け 強靱な特徴が選ばれた理由であろう。その数年後には我が てきた。超親水性やタンパク分子排除界面などがその例で 国においてナイロン製などの人工血管が臨床で用いられて あろう。また，血管内皮細胞を内腔面に播種したハイブリッ いる。高強度合成繊維であるナイロンは 1935 年に発明さ ド型人工血管も，同じ方向性を目指した戦略である。しか れており，素材として選ばれた。当時の合成材料は，いず しながら，いずれの場合にも，臨床現場で要求されている れも，パラシュートやワイシャツの生地の転用であったが， ようなサイズの小口径人工血管の実現を期待させるような 間もなく，現在主流である PET と ePTFE の二大材料に落 動物実験結果は得られていないと言わざるを得ない。我々 は，これまで大口径血管や人工弁への応用を目指して研究 ■著者連絡先 国立循環器病研究センター研究所・生体医工学部 （〒 565-8565 大阪府吹田市藤白台 5-7-1） E-mail. [email protected] 184 してきた脱細胞組織をベースにして，2009 年より小口径血 管の開発を開始した。 人工臓器 42 巻 3 号 2013 年 4. 脱細胞組織 上述した高分子材料を用いた人工血管よりも，動物組織 を人工血管として用いる研究の歴史は長い。精力的に動物 実験を進めた Coleman らの 1951 年の論文の冒頭には“The experimental transfer of vascular segments from one animal to another is not new”と記されている 4) 。そして，1950 年 頃にはアルコール処理したヒトやヒツジ，ウマの動脈が臨 床でも用いられたが，その後，高分子製の血管が主流とな 図 1 ラット腹部大動脈への脱細胞血管の移植 （A）移植部，（B）移植後。 り現在に至っている 3) 。 生体組織をそのまま使用するには，言うまでもなく拒絶 反応の問題がある。そこで，ヒト，あるいは動物の組織から， 径約 1 mm の脱細胞ラット腹部大動脈血管の移植後の開存 免疫原性の主たる原因である細胞成分を除去して，細胞外 性は低く，ヘパリン未使用下での 1ヶ月開存率は 20％以下 マトリックスのみを残した脱細胞組織を移植組織として， であった（図 1）。移植手技の問題などさまざまな方向から 使用する検討が続けられている 5) 検討した結果，次のような結論に達した。脱細胞組織は， 。さまざまな脱細胞組織 が 検 討 さ れ て い る が，例 え ば 脱 細 胞 ヒ ト 真 皮 で あ る 言うまでもなく主にコラーゲン組織からなっており，コ Alloderm ® は，認可を受けた医療機器として広く使用され ラーゲンが血液凝固を強く誘導することは古くから知られ ている 6),7) ている。すなわち，上述の大口径・中口径血管の議論から， 。また，ヒト由来脱細胞弁（ホモグラフト）とし ては，Cr yoLife 社の SynerGraft ® 8) がよく知られている。 コラーゲンでできたチューブ構造が小口径血管として開存 SynerGraft ® は浸透圧により細胞成分を破壊した後に，酵 しなくても何ら不思議はない。 素による細胞成分の分解と，残渣の除去により作製されて 一方で，生体血管とほぼ同様のコンプライアンスを有し， いる。近年，臓器全体から細胞成分を除去して，その後に 自己組織と置き換わる可能性がある脱細胞組織は，やはり 組織細胞を再播種するという研究論文が相次いで報告され 魅力的である。そこで我々は，小口径人工血管の開存性を た。心臓 9)，肺 10)，肝臓 11) など，脱細胞組織の外観は極め 向上させる新たな戦略として，脱細胞化血管内腔面の内皮 て良好であり，ますます脱細胞研究に期待が集まる。 化形成の生物学的促進技術を開発した。具体的には，内皮 話を脱細胞血管に戻すと，組織から細胞を除去する過程 細胞，あるいは，血管内皮前駆細胞（EPC）と呼ばれる，末 で最も重要なのは，構造タンパク質の構造を保持したまま 梢血中を循環する細胞を特異的に接着させるペプチドリガ 細胞成分のみを取り除くことである。多くの脱細胞研究グ ンド（REDV）を脱細胞化血管内腔に配列化させた。この ループが，デキストラン硫酸ナトリウム（SDS）などの界面 REDV 配列と，コラーゲンが結合するペプチド配列 14) から 活性剤で細胞成分を除去し，その後トリトン X-100 などで なる血管表面修飾プローブを用いることで，化学反応など 処理して十分に洗浄しているが，残存界面活性剤が移植後 を用いることなく安全かつ迅速に脱細胞化組織の界面を修 の組織浸潤を遅延させることが懸念されている。 飾する手法を開発した。 修飾した血管内腔面に対する正 国立循環器病研究センターでは，新たな脱細胞化心血管 常ヒト臍帯静脈内皮細胞（HUVEC）の特異的接着性を共焦 組織の研究を開始し，藤里らは，約 10,000 気圧という超高 点レーザー顕微鏡により評価した結果，播種した HUVEC 圧で組織を処理した後に緩衝液などで洗浄することで，構 の約 80％以上の細胞が配列特異的に接着することが明ら 造タンパク質の力学強度を保持したままで，効率よく細胞 かとなった。さらに，脱細胞化したラット下行大動脈をプ 成分を除去できることを見出した 12),13) ローブで修飾し，Sprague Dawley（SD）ラット腹部下行動 。この技術に基づ 脈に移植して Magnetic Resonance Imaging（MRI）により いて小口径血管の開発を開始した。 5. 開存性を評価したところ，移植後 1ヶ月において，ほぼ全 世界初小口径ロングバイパスの開発 例で開存していること，さらに，組織染色は内皮組織の構 冠動脈バイパスや閉塞性動脈硬化症の治療のためにも， 築を示すことが明らかとなった（図 2）。一方で，コントロー 小口径人工血管に対する期待は大きい。上述した超高圧脱 ル配列を用いた場合や非修飾の脱細胞化組織では 20 ∼ 細胞血管は，ミニブタ肺動脈弁および大口径血管移植にお 40％程度の開存率にとどまり，有意な内皮化形成は認めら いて良好な成績を収めていたが，同様の手法で作製した内 れなかった。 人工臓器 42 巻 3 号 2013 年 185 図 2 ラット腹部大動脈移植後の Magnetic Resonance Imaging（MRI）による開存性評価 （A）内腔修飾脱細胞大動脈，（B）未処理脱細胞大動脈。 実は，ラットを用いた小口径人工血管の開存は 1980 年 代より多く報告されている。それにもかかわらず，未だに 小口径人工血管が実用化されていない最大の原因は，臨床 で要求される口径や長さの血管では，十分な開存性が示さ れていないためである。冠動脈バイパス術では内径 2 mm 程度で長さが 10 cm 程度，また，閉塞性動脈硬化症など下 4 肢に対するディスタルバイパス術では，内径 2 mm 程度で 長さ 30 cm 程度が要求されると考えている。 そこで，上述した技術をダチョウ頸動脈に施して小口径 血管を作製することとした。我が国では，意外に多くのダ チョウが食肉用として飼育されており，飼育環境が良好で あるのみならず安定供給ルートも確保できる。ダチョウ頸 Left femoral artery 動脈を利用することで，内径 2 ∼ 4 mm，長さ 20 ∼ 80 cm の 脱細胞小口径血管を作製することが可能となり，その開存 性評価法として，内径 2 mm，長さ 30 cm のロングバイパス 図 3 ミニブタ大腿動脈−大腿動脈（F-F）交差バイパスモデル を用いた小口径人工血管移植実験 をミニブタ大腿動脈−大腿動脈（F-F）交差バイパス術に適 用した。驚くべきことに，内腔処理をしない脱細胞血管が 数日以内に完全塞栓するのに対して，REDV 処理した血管 しなければ本当の小口径血管の完成とはいえず，検討を続 は 3 週間にわたって全例開存という結果が得られている。 けている。 血管内視鏡観察により，内腔面には血栓が存在しないこと， さらに組織観察からは 30 cm の血管の中央部であっても 3 週間で既にフォンビルブランド陽性の内膜用組織が完成し 本研究は，循環器病研究開発費（22-2-4） ，および，戦略的 イノベーション創出推進プログラム（S- イノベ）によって ていることも明らかとなっている（図 3） 。 実施された。 おわりに 6. 謝 辞 また，これらの成果は，馬原淳博士をはじめ，染川将太氏， 小口径人工血管の開存性を得るための戦略は，中口径血 管開発の延長線上にはなく，生体組織と極めて近い物性を 三橋直人氏，佐久間貴大氏，小林直樹氏の精力的かつ多大な 研究努力によるものです。この場を借りて深謝いたします。 有する脱細胞組織を選択したこと，および，末梢血中を循 環する血管内皮前駆細胞などの効率よい補足効果という， いわば積極的抗血栓性によって達成されたと考えられる。 このアスペクト比の血管の初期開存性達成は世界初と考え ているが，今後，中長期における自己組織への置換を達成 186 本稿の著者には規定された COI はない。 文 献 1) 医療機器・用品年鑑 2011 年版．アールアンドディ，名古屋 , 2011, 71-7 人工臓器 42 巻 3 号 2013 年 2) Voorhees AB Jr, Jaretzki A 3rd, Blakemore AH: The use of tubes constr ucted from vinyon“N”cloth in bridging arterial defects. Ann Surg 135: 332-6, 1952 3) 上野 明：記念講演 わが国の血管外科の歩み．日血管外 誌 1: 1-13, 1992 4) Coleman CC Jr, Deterling RA Jr, Parshley MS: Experimental studies of preser ved aortic homografts. Ann Surg 134: 868-77, 1951 5) Badylak S, Liang A, Record R, et al: Endothelial cell adherence to small intestinal submucosa: an acellular bioscaffold. Biomaterials 20: 2257-63, 1999 6) Crapo PM, Gilbert TW, Badylak SF: An overview of tissue and whole organ decellularization processes. Biomaterials 32: 3233-43, 2011 7) LifeCell 社ホームページ．AlloDerm® Regenerative Tissue Matrix. Available from: http://www.lifecell.com/allodermregenerative-tissue-matrix/8/ 8) Cr yoLife 社ホームページ．SynerGraft ® Technologies. Available from: http://www.cr yolife.com/products/ synergraft-technologies 9) O t t H C , M a t t h i e s e n T S , G o h S K , e t a l : P e r f u s i o n - 10) 11) 12) 13) 14) decellularized matrix: using nature’s platform to engineer a bioartificial heart. Nat Med 14: 213-21, 2008 Panoskaltsis-Mortari A, Weiss DJ: Breathing new life into lung transplantation therapy: Mol Ther 18: 1581-3, 2010 U yg un BE , S o to -Gu ti er r ez A, Ya gi H , e t a l : O r ga n reengineering through development of a transplantable recellularized liver graft using decellularized liver matrix. Nat Med 16: 814-20, 2010 Fujisato T, Minatoya K, Yamazaki S, et al: Cardiovascular Regeneration Therapies Using T issue Engineering Approaches, ed by Mori H, Matsuda H, Springer, Tokyo, 2005, 83-94 Ehashi T, Nishigaito A, Fujisato T, et al: Peripheral nerve regeneration and electrophysiological recovery with CIPtreated allogeneic acellular nerves. J Biomater Sci Polym Ed 22: 627-40, 2011 M o X , A n Y, Yu n C S , e t a l : N a n o p a r t i c l e - a s s i s t e d visualization of binding interactions between collagen mimetic peptide and collagen fibers. Angew Chem Int Ed Engl 45: 2267-70, 2006 人工臓器 42 巻 3 号 2013 年 187
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