この研究室で培養された皮膚は移植に革命を起こす可能性がある

アルベルト・パパラルドは移植前日の朝、緊張していた。前の一ヶ月、皮膚細胞の塊を培養し、最終形態へと仕上げてきたのだ。マウスの後肢の形をしたピンクがかった白い組織で、ズボンの裾のようにマウスに滑り込ませることができる。すべてが計画通りに進めば、マウスの周囲の皮膚は、実験室で培養された細胞を自分のものとして受け入れてくれるだろう。

最終的に、新しい皮膚を配置するのに30秒もかからず、手術全体は10分もかからずに完了しました。「完璧にフィットしました」と、コロンビア大学メディカルセンターで皮膚科と組織工学を専門とする医師兼ポスドクのパパラルド氏は振り返ります。これは大きな成果です。なぜなら、この技術は、火傷などの大きな傷の治療における長年の課題、つまり不規則な形状を本物の機能的な皮膚で覆うという課題の解決に役立つ可能性があるからです。

パパラルド氏が研究室で作製したこの材料は「スキンコンストラクト」と呼ばれ、人間の細胞のシートで、他の部位からの移植には大きすぎる傷口に移植できる。スキンコンストラクトを作製する技術は40年間ほとんど変わっていない。通常は、単なる平らな長方形か円形のパッチだ。パパラルド氏の指導教官でバイオエンジニアの助教授、ハサン・エルビル・アバチ氏は、これが問題だと指摘する。アバチ氏は、これらの形状が指や顔といった体の部位の形状と一致しないからだ。2次元のパッチを3次元の輪郭に当てはめるには、より多くのパッチが必要になり、縫合糸の数が増え、手術時間も長くなる。見た目も悪く、機械的な性能も劣る。「では、この形状を模倣したらどうなるだろうか？」とアバチ氏は考えた。

研究チームは1月27日付のScience Advances誌に、彼らが「エッジレス」と呼ぶ3次元移植片の作製プロセスについて解説した。これは、体の部位にフィットする形状で継ぎ目がないことを意味する。彼らはまず、皮膚細胞が望ましい形状に成長するための足場を3Dプリントすることから始めた。パパラルド氏は、この足場の周りにヒト細胞を層状に播種し、それらの細胞が構造分子の密集したネットワークを構築するのを待った。この人工皮膚は、これまでのどの皮膚よりも形状と機能に忠実であり、マウスで試験したところ、まるで自分の皮膚のように融合した。

「より効率的に塗布され、よりよく効くだけでなく、より効果も高まります」と、この研究には関与していないシーダーズ・サイナイ医療センターの形成外科部長ランドルフ・シャーマン氏は言う。

シャーマン氏は以前、非営利団体「オペレーション・スマイル」で重度の火傷患者を治療した。従来の皮膚移植で治癒したとしても、機能を失う可能性があった。中には首をほとんど動かすことができなかったり、目や口を開閉できなくなったりする患者もいた。シャーマン氏は、この新しいアプローチが人間にも応用され、自身の治療分野を発展させると「非常に楽観的」だ。糖尿病性潰瘍や褥瘡から、重度の犬咬傷や火傷まで、あらゆる治療に役立つ可能性があると彼は言う。「効率性、吸収性、機能性、そしておそらく見た目もはるかに向上するでしょう」と彼は言う。「これら4つは、大きな変革をもたらす可能性を秘めています。」

皮膚は、多種類の細胞で構成され、複雑な形状を呈し、場所によって機械的特性が異なるため、バイオエンジニアリングが難しい器官です。背中の皮膚は、顔や手の皮膚とは異なる形状と機能を持っています。「体に巻き付けるサランラップとは違います。皮膚は実に多くの機能を果たす器官なのです」とシャーマン氏は言います。皮膚は体温を調節し、水分を保持します。皮膚の神経終末は、熱さ、冷たさ、鋭さ、鈍さなどを感じ取るなど、私たちと外界との接点を形成します。

過去10年間で、バイオエンジニアたちは実験室で培養した組織でその複雑さを再現することに大きく前進しました。例えば、毛包や血管に必要な前駆細胞を持つ細胞を培養しました。しかし、アバシ氏は、皮膚の形状という、明らかな見落としをどうしても見逃せませんでした。皮膚は私たちの体のあらゆる輪郭を包み込んでおり、この形状が皮膚の構造的完全性を保つのに役立っているとアバシ氏は考えました。平らなシートではそれが不可能だったのです。「エンジニアとして、私はこの点に悩んでいました」と彼は言います。

彼のチームは、シンプルな円筒形の皮膚を培養することから実験を始めました。3Dスキャンまたはデジタルモデルを用いて、皮膚の二層（真皮の内側と表皮の外側）の細胞を培養するための、透過性のあるプラスチック製の足場を印刷しました。パパラルド氏は、この足場の周りにコラーゲンを含む線維芽細胞（真皮の細胞）を塗布しました。この層が2週間成熟した後、表皮に存在するケラチノサイト細胞を播種しました。そして、この組み合わせを1週間放置し、片側を空気に、もう片側を液体にさらしました。まさに人間の皮膚と同じでした。そして、この実験は成功しました。「円筒形を作ることができれば、どんな形でも作れると考えました」とアバチ氏は言います。

この画期的な発見は議論を巻き起こした。「これから何を作るべきか？」。ある派閥は顔を生やそうとしたが、手を生やしたい派閥が勝利した。彼らは、手首を切って開き、手袋のように滑らせて縫合できる5本指の構造を思いついた。「手首の周りに包帯を巻くだけで手術は完了します」とアバシ氏は言う。

そこで研究室は、砂糖の袋ほどの大きさの5本指の足場を印刷し、前と同じように細胞を準備し、「エッジレス」構造が従来の移植片と比較してどれだけ持ちこたえられるかをテストした。機械的な歪みテストでは、エッジレス構造は平坦な部分よりも最大400パーセント優れていた。顕微鏡画像では、健康でより正常な細胞外マトリックス（組織の構造を提供するタンパク質と分子のネットワーク）が明らかになった。このマトリックスにはヒアルロン酸などの分子が多く含まれ、より現実的な細胞の配置があった。アバシ氏は喜びと同時に驚き、「形状の変化だけに細胞が実際にどう反応するかを見るのは本当に魅力的でした。それ以外には何もありませんでした」と語った。この方法は、細胞を自然な閉鎖的な方法で成長させることができるため、より正常な皮膚代替物を作成するのに優れていると彼は考えている。

しかし、このような皮膚移植は実際にどれくらいの期間で完了するのでしょうか？パパラルド氏がマウスで行ったデモンストレーション（最終的に11回実施）は、その可能性を示唆しています。平面の移植片では同じ手術を行うことは不可能でした。彼はマウスの後肢の形状が非常に複雑であるため、後肢で移植を試みることにしました。4週間後、移植した皮膚はマウスの周囲の皮膚に完全に固定されました。

「彼らがこれを実現させた方法は非常に刺激的でした」と、カーネギーメロン大学の生物医学エンジニア、アダム・フェインバーグ氏は語る。「私たちは、これらの技術がより広く利用できるようになる道を歩んでいます。最終的には、あと10年ほどで、怪我や病気後の人体の修復方法を真に変えることになるでしょう。」

彼は特に、皮膚に血管を新生させ、血管の成長を促す方法に興奮しています。これは糖尿病性潰瘍の患者にとって大きな恩恵となる可能性があります。「血管新生は組織を生かし続けるものです」とフェインバーグ氏は述べ、そもそも糖尿病性潰瘍が発生する理由の一つは、組織の血行不良です。「もしエンジニアが最初から組織の血管の質を向上させることができれば、糖尿病患者の治療はより成功するかもしれません」と彼は言います。

ジョンズ・ホプキンス大学の形成外科医兼組織工学者であるサシャンク・レディ氏は、研究チームが患者の体の他の場所から大量の組織を移植するのではなく、ごく少量の生検からこれらの組織を培養できると指摘する。「例えば、患者の前腕全体を再生しなければならないとしたら、背中や大腿部など、体の他の場所から大量の皮膚を借りなければなりません」とレディ氏は言う。その組織を除去すると、採取した「ドナーサイト」に欠陥が生じる。「このアプローチのもう一つの利点は、形状だけでなく、ドナーサイトの欠陥を回避できることです」と彼は続ける。

シャーマン氏は、1時間で移植が完了するのは、脆弱な患者に長時間の麻酔をかけ、4時間から11時間もかかる今日の移植手術に比べれば大きな進歩だと指摘する。「これは大きな前進となる可能性がある」とシャーマン氏は語る。

それでも、外科医が使用できるようになるまでには、臨床試験などいくつかのハードルをクリアする必要があるとレディ氏は言う。人工組織を患者に移植しようと試みた企業は多くない。昨年、3DBioという企業が細胞から作製した人間の耳を移植した。

レディ氏は、この組織には毛包や汗腺といった、本物の皮膚の構成要素がいくつか欠けていると指摘する。「これらは『あったらいいもの』と考える人もいるかもしれませんが、実際には皮膚を固定する上で非常に重要なのです」と彼は言う。肌の色に合わせるために、皮膚色素も取り入れることが不可欠だ。しかし、彼はこれらの追加機能が実現可能だと楽観視しており、マウスを使った外科手術のデモンストレーションは、マウスを使った薬物試験よりも人間への応用が容易だと指摘する。「生物学には常に驚きがありますが、それが再現できると断言するのはそれほど飛躍的ではありません」と彼は言う。「これは根本的な発見というよりも、むしろ工学的な問題なのです」

アバシ氏は、この人工皮膚を医薬品や化粧品の試験、そして皮膚の基礎生物学研究に活用できる可能性を見出している。しかし、彼にとって最大の関心事は移植片の作製だ。理想的には、単一のウェアラブルなピースとして着用でき、筋肉、軟骨、脂肪を専門とする他の研究グループの協力を得て作製できるような移植片を作製したい。

一方、彼の研究グループは、成人男性の手のような、より大きな構造物の作成に取り組んでいます。（彼らは、その規模の培養に必要な4500万個の線維芽細胞と1800万個の角化細胞を培養するのに十分な組織を得るには、わずか4mmの生検で十分だと考えています。）また、彼らは足場を廃止し、実際の組織を印刷する計画も立てています。これにより、いくつかの工程が省略されるだけでなく、皮膚の厚さや部位ごとの機能性をより細かく制御できるようになります。

組織工学者たちは、このような新しいアプローチが臨床応用されると確信している。「本当に問題なのは、いつ利用できるようになるかであり、もし可能かどうかではないということです」とフェインバーグ氏は言う。