重度の火傷や外傷の治療において、皮膚の再生は生死に関わる問題となり得ます。広範囲の火傷は通常、皮膚の最上層である表皮の薄い層を体の他の部位から移植することで治療されます。しかし、この方法は大きな傷跡を残すだけでなく、皮膚を元の機能状態に戻すことができません。表皮の下層、血管や神経を含む真皮が再生されない限り、正常な生きた皮膚とは言えません。
スウェーデンの研究者による研究により、生きた皮膚の再生医療に一歩近づいた可能性があります。彼らは、血管が発達した、つまり血管を含む厚い皮膚を人工的に生成する2種類の3Dバイオプリンティング技術を開発しました。1つは細胞が詰まった皮膚を生成し、もう1つは組織内に任意の形状の血管を生成します。この2つの技術は、同じ課題に対して異なるアプローチを採用しています。これらのアプローチは、Advanced Healthcare Materials誌に掲載された2つの研究で概説されています。
「真皮は非常に複雑なため、研究室で培養することはできません。その全ての構成要素が何であるかさえ分かっていません」と、リンショーピング大学の准教授で、この研究を率いた形成外科専門医のヨハン・ユンカー氏は声明で述べた。「だからこそ、私たちだけでなく多くの人が、真皮の構成要素を移植し、体が自ら真皮を生成できるようにできるのではないかと考えています。」
3D バイオプリンターを使用するリンシェーピング チーム。
写真: Magnus Johansson/リンシェーピング大学ユンカー氏らは、「μInk」と呼ばれるバイオインクを設計した。これは、コラーゲン、エラスチン、ヒアルロン酸といった真皮成分を産生する線維芽細胞を、小さなスポンジ状のゼラチン粒子の表面で培養し、ヒアルロン酸ゲルで包んだものである。このインクを3Dプリンターで三次元的に造形することで、高密度の細胞で満たされた皮膚構造を自在に作り出すことに成功した。
マウスを用いた移植実験において、研究者らはこのインクから作られた組織片の内部で生きた細胞が成長し、コラーゲンを分泌して真皮の構成成分を再構築することを確認した。移植片内部には新たな血管も形成され、長期的な組織固定の条件が満たされていることが示された。
血管は人工組織の構築において極めて重要な役割を果たします。たとえどれだけ多くの細胞を培養して組織モデルを作製しても、血管がなければ酸素や栄養をすべての細胞に均等に運ぶことができません。そして、血管がなければ、組織構造が成長するにつれて、組織の中心にある細胞は死滅してしまいます。
研究チームはまた、「REFRESH（Rerouting of Free-Floating Suspended Hydrogel Filaments）」と呼ばれる技術を開発しました。これは、98%が水であるハイドロゲルの糸を印刷・配置することで、人工組織内に血管を柔軟に構築することを可能にします。この糸は通常のゲル素材よりもはるかに強靭で、結んだり編んだりしても形状を維持できます。さらに、押しつぶされても元の形状に戻る形状記憶特性も備えています。
REFRESHテクノロジーを用いて作られたハイドロゲル糸。
写真: Magnus Johansson/リンシェーピング大学注目すべきは、これらの糸は特定の酵素の作用によって痕跡を残さずに分解できることです。組織内に設置されたハイドロゲル糸が消失すると、元の場所には細長い空洞だけが残ります。これを血管に相当する流路として利用することで、人工組織内に血管網を自由に形成することができます。この2つの技術を融合することで、細胞が詰まった厚い人工皮膚の中に、自由に設計された血管網を組み込むことができ、酸素や栄養を隅々まで届けることができるようになります。
研究者らは、ハイドロゲル糸を結び目や編み込みの形にすることで、複雑な3Dネットワークを構築することにも成功しました。将来的には、この技術と自動化技術を組み合わせ、人工臓器全体に血管網を効率的に張り巡らせる手法の実現を目指しています。
創傷環境には、炎症や細菌感染をどのように回避するかなど、依然として多くの不確実性が残っており、実験室で得られた結果と臨床現場への導入との間のギャップを埋めるためには、これらの技術の慎重な検証が必要となる。しかしながら、将来的には、これらの技術が再生医療における長年の課題を解決する画期的な進歩となる可能性もある。
この記事はもともとWIRED Japanに掲載されたもの で、日本語から翻訳されています。
