フジツボからヒントを得たこの接着剤は、出血している臓器を数秒で密封します

過度の出血は、ある意味では技術的な問題です。

「私たちにとって、あらゆるものは機械です。人間の体でさえもです」と、MITで機械工学を研究する科学者、ヒョンウ・ユク氏は言う。「機械は故障したり壊れたりするものですが、私たちにはそれを機械的な方法で解決する方法があるのです。」

毎年約190万人が失血で亡くなっています。外傷による場合もあれば、手術台で亡くなる場合もあります。出血した体は湿っており、感染症にかかりやすいため、緊急の治療が必要です。しかし、濡れた組織を密封するのは難しく、危険な出血を止めるために使用される市販製品のほとんどは、効果が出るまで数分かかる凝固剤を使用しています。中には数分もかからない人もいます。

ユーク氏のチームは過去7年間、出血を止めるための全く異なるアプローチ、接着剤の開発に取り組んできました。より具体的には、フジツボに着想を得た接着剤です。ユーク氏によると、フジツボは、固着しにくい表面に接着するという問題に対する進化的な解決策を持っているとのことです。今月Nature Biomedical Engineering誌に掲載された研究で、同氏のチームは、この節足動物のような接着剤がどのようにして数秒で出血を止めることができるかを実証しました。

実験で、ユク氏は心臓や肝臓の出血を伴う損傷を受けたラットに、外科医が一般的に使用する製品で治療を施した。しかし効果はなく、出血は続いた。別のラットには、研究室で用意した油性ペーストを塗布した。「全く同じ損傷がわずか10秒ほどで止血できたのです」とユク氏は言う。

ラットは接着剤のおかげで生き延び、メイヨークリニックのユーク氏の協力者によって試験されたブタも同様に生き延びました。彼らの証拠はまだ予備的なものではありますが、血液、心臓、肝臓の疾患を抱える人間の外科患者にとって特に良い兆候です。「この材料についての私の全体的な印象は、信じられないほど素晴らしいということです」と、スタンフォード大学心臓胸部外科のレジデントで、この研究には関与していないハンジェイ・ワン氏は述べています。「特に緊急の場面で、とにかく制御が必要なときに、間違いなくニーズを満たしてくれるでしょう。」

エンジニアチームは、動物界にインスピレーションを見出せるかもしれないと考えていました。「自然界の進化の原動力は生存です」とユーク氏は言います。問題を解決したいなら、おそらくすでにその問題を解決するために進化してきた動物が見つかるはずです。フジツボが彼らの注目を集めたのは、その厄介なほどの粘着性のためだとユーク氏は言います。「岩にくっつき、錆びた鋼鉄にくっつき、クジラやカメのようなぬるぬるした表面にもくっつきます。」

フジツボは、それぞれの動物の「額」に沿って分泌される腺から分泌されるタンパク質の接着剤によって付着する。しかし、その秘密のソース（というか油）は、まず表面から汚染物質を洗い流し、タンパク質が本来の働きを行えるようにする脂質のカクテルである。「つまり、フジツボは標的の基質をテラフォーミングしているのです」とユーク氏は言い、素早く強力な接着のために下地を整えている。

そして、出血している動物の組織を密封しようとするときにも、同じような超能力が必要であることが判明しました。ユク氏によると、血液は均質な液体ではなく、血球で満たされているため、ある意味で「汚染された液体」です。接着剤を機能させるには、それらの血球を押しのける必要があります。

ユークのチームは、試験用の接着剤として実際のフジツボタンパク質を使用する代わりに、それを高圧物理的バリアを考案するための一種の化学用語と呼んだ。粘着性のあるタンパク質粒子の代わりに、彼らは以前に研究室で発明されたものを再利用した。それは、有機分子、水、そしてキトサン（硬い貝類の外骨格に含まれる糖）を混ぜ合わせた生体適合性接着シートである。（フジツボはキチンと呼ばれる類似の化合物を使用しており、キトサンはすでに創傷被覆材に広く使用されている。）次に、彼らはシートを極低温粉砕機に投入し、直径約100分の1ミリメートルの破片になるまで粉砕した。

血液をはじく物質として、シリコーンオイルを使用しました。シリコーンオイルは、医療現場では既に手術器具の不活性潤滑剤として、また網膜剥離後の硝子体液の代替として使用されています。この微粒子とオイルを混ぜ合わせると、白く濁った歯磨き粉のような見た目と感触の接着剤が作られました。

ペーストは、組織サンプルをいかにしっかりと、そして迅速に密封できるかを記録するため、数々の機械試験に合格した。ユークは注射器からペーストを豚の心臓の薄片に絞り出し、小さな金属製のヘラで押し付けた。その圧力によって、シリコンオイルが破片や液体を除去した。同時に、粘着性のある微粒子の塊が組織表面から突き出たタンパク質の端と凝固し、数秒のうちに強力な結合が形成された。

ユーク氏は次に、フジツボ接着剤を、外科医が使用する製品、例えばサージフロのようなシーラントペーストやタコシルと呼ばれる凝固パッチと比較しました。比較すると、フジツボ接着剤は8倍も強力な接着力を形成しました。また、摘出した豚の大動脈で「破裂圧力」（シールが破裂する限界値）を試験したところ、ユーク氏の接着剤は血流から予想される圧力の最大2倍までしっかりと保持されました。

チームは勇気づけられ、生きた動物で発明をテストする準備が整いました。麻酔をかけたラットの心室筋に2ミリの傷をつけ、出血させ、フジツボ接着剤か、市販の代替品であるサージセルとコシールのいずれかを投与しました。しかし、心臓の鼓動による圧力に打ち勝って出血を封じることができたのは接着剤だけでした。出血は数秒で止まりました。（動画はこちらでご覧いただけますが、生々しい内容ですので、ご注意ください。）「視覚的に非常にショッキングでした」とユーク氏は言います。

研究チームはラットの肝臓でも同様の実験を繰り返した。肝臓は体内で最も血管が豊富な臓器であるため、出血研究にとって重要な部位である。今回も接着剤は数秒で出血を止めた。そして2週間後、心臓と肝臓の穴はしっかりと塞がったままだった。「そのラットは目を覚まし、回復することができました。飼育室にいる間、私たちは彼女を抱きしめることができました」とユーク氏は言う。

そして豚の登場です。ユークは、大型動物の手術設備が充実したメイヨー・クリニックのチームを招聘しました。手術を受ける人の多くは血液凝固の問題を抱えているため、チームは血液の自然な凝固能に頼ることを避けたいと考えました。そこで、実験の前に、3頭の実験用豚に血液凝固抑制剤であるヘパリンを投与しました。研究者たちは、豚の肝臓にそれぞれ幅1センチ、深さ1センチの穴を3つ開け、9箇所の傷口をペーストまたはタコシルパッチで治療しました。

チームの獣医師の一人、ティファニー・サラフィアン氏は、この接着剤ほど効果的なものは見たことがないと言う。「ペーストを塗って、数秒間数えるだけなんです」とサラフィアン氏は手術を振り返りながら言う。「手を離すと、『ちょっと待って、血が出ない！』って感じでした。本当に驚きました」

サラフィアンさんは、比較対象となる市販のパッチが3分経っても効かなかった場合、豚の命を守るために抗凝固剤の効果を逆転させ、その後、自然に血液が凝固して治癒するのを待つ計画を立てていた。しかし、出血を早く止めるために、もう一つ手順を加えた。実験用の接着剤をエンドウ豆大に絞り出し、顔につけるのだ。「ある意味、奇跡的な効果です」と彼女は言う。

公平を期すために言うと、TachoSilのような凝固パッチは、凝固が起こりにくい損傷組織からの大量の出血を止めるために設計されたものではありません。しかし、医療において、それは満たされていないニーズだと、メイヨー・チームの心臓麻酔科医兼集中治療医であるクリストフ・ナブズディク氏は言います。「高齢化が進むにつれて、出血性疾患を発症したり、最終的に血液凝固抑制剤を服用する患者が増えています」と彼は言います。「出血、そして出血のコントロールの問題は深刻です。」

彼とサラフィアンは、大出血を止め、すでに濡れている表面に塗布できる安価な接着剤があれば、患者の命が救われる可能性があり、荒野、戦闘地域、発展途上国など、外科手術の資源があまりない場所では特に役立つだろうと付け加えている。

「この素材自体に全く新しいものはありませんが、このコンセプトは本当にクールで型破りです」と、ハーバード大学医学大学院の研究室を率いるバイオメディカルエンジニアのシュライク・チャン氏は語る。シリコーンオイルや粘着剤といった素材はありふれたものだが、その組み合わせは刺激的なものだ。「まだ初期段階ですが、動物実験では非常に有力なデータが得られています」と彼は続ける。

しかし、スタンフォード大学心臓胸部外科レジデントのワン氏によると、この接着剤を人間に使用するには、まだ最適化が必要な要素がいくつかあるという。緊急時に損傷した組織を塞いだり、周囲の健康な組織に付着したりする接着剤の塊は、その後の手術を複雑化させる可能性がある。「問題は、その部位で手術ができるかどうかです」と彼は問う。

ユーク氏のチームは、このタイプの粘着シールを元に戻す解決策を考案し、ラットでの予備的な結果は有望である。

彼らはまた、この接着がどれくらい持続するかを知りたいと考えています。理想的には、組織が自然に治癒するまで溶解しないことが望ましいですが、永久に持続するべきでもありません。新たな研究では、ラットを用いた別の実験の顕微鏡画像に基づき、ペーストが12週間以内に顕著に溶解することが示されています。損傷の程度や治癒反応によっては、12週間で十分な期間となる可能性があります。

もう一つの課題は、他の種類のシーラントは時間の経過とともに組織を壊死させることが知られていることです。ワン氏とユク氏は、長期的な研究が不可欠であると指摘しています。これまでのところ、メイヨー・クリニックの試験で使用されたブタを用いた、接着剤塗布後約1か月間の出血臓器の観察が最長でした。

信頼できる縫合糸がシーラントペーストに取って代わられるまでには、まだ何年もかかるかもしれないが、患者の体を素早く接着して、よく油を差した機械のように再び動かせるようになれば、外科医も機械エンジニアも歓迎するだろう。

2021 年 8 月 24 日午後 5 時 8 分 (東部標準時) の訂正: Christoph Nabzdyk 氏の役職を明確にするために記事が更新されました。

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