幹細胞と3Dプリントによる再生医療：生命の再定義

多くのSF映画には、主人公が重度の身体的外傷を負い、高度な医療技術の助けを借りて、患者の傷が急速に治癒し、正常に戻るという筋書きがあります...今日の医療技術の急速な発展により、この美しいファンタジーは徐々に現実になりつつあります。これらすべては、人類の運命と未来を変える可能性のある分野、再生医療から生まれています。

アメリカの生物学者でノーベル賞受賞者のギルバートはかつて、「50年以内に、人類はすべての臓器を培養できるようになる」と予測した。幹細胞と組織工学の研究が継続的に深まるにつれ、「再生医療」という新しい分野が広範囲にわたる医療革命を主導し始めている。

中国科学院遺伝学・発生生物学研究所の再生医療研究チームリーダーである戴建武研究員は、2001年に中国に帰国して以来、再生医療研究に尽力し、一連の重要な技術的成果を達成し、中国の再生医療技術を世界の先進レベルにまで引き上げました。

臓器は体外で「製造」される可能性がある
3Dバイオプリンティングは科学者に希望をもたらす。「将来、人間は人間のすべての臓器を培養するようになるだろう。」ギルバートの予測は現実になるだろうか？

戴建武は、これらすべてが遠い未来ではないと信じている。「何千年もの間、中枢神経系は再生不可能だと信じられてきたが、再生医療は再生の希望をもたらし、人体のすべての臓器や組織が再生できると信じる根拠を与えてくれた」戴建武氏は、再生医療は老化、病気、損傷によって引き起こされた不健康な組織や臓器を修復するために組織の再生を導くのに役立つと述べた。現在、再生医療は心臓や肝臓など他の組織や臓器の損傷を修復するための実行可能な治療戦略を提供しています。近い将来、人体の欠陥のある組織や臓器を置き換えるために、体外で臓器を「製造」できるようになるかもしれません。

この点に関して、現在国際的に検討されている実現可能なアプローチは 2 つあります。バイオリアクターによる臓器組織の体外培養と、3D バイオプリンティングによる機能的な臓器や組織の製造です。

2008年6月、スペインの30歳の患者が、関係する医療管理部門の許可を得て、世界初となる自己幹細胞を用いた人工気管移植手術を受け、短期間で順調に回復した。現在、この研究はまだ進行中です。多くの疑問はあるものの、多くの科学者が、幹細胞と足場材料を使用してバイオリアクター内で臓器組織を構築するというこのアイデアを認識し、採用しています。しかし、体外で製造された組織や臓器を機能させるためには、幹細胞を足場上に定着させ、適切な機能細胞に分化させるなど、一連の非常に困難な問題を解決する必要があります。

3D プリント技術が発展し、普及するにつれて、科学者たちは体外で臓器を構築するもう 1 つのより有望な方法、3D バイオプリンティングを開発しました。

3D バイオプリンティングの基本的な考え方は、細胞全体の分析後に臓器をモデル化し、適切な生体機能材料を細胞と混合し、層ごとに 3D プリントを実行し、細胞を正確に配置して、最終的に移植用の機能的な組織と臓器を印刷することです。現在、この研究はまだ始まったばかりです。いかにして素早く固化・形成し、組織や臓器の相応の機械的強度を満たし、細胞との適合性も良好な生体材料を見つけるかは、科学者が早急に解決しなければならない問題です。

幹細胞 - 臓器の「再生」の秘密
2018年1月12日午前9時30分、長年早発卵巣不全に悩まされてきた方さんは、南京鼓楼病院で療養し、泣き声とともに無事に男児を出産した。これは我が国の卵巣再生の臨床研究における画期的な進歩であり、再生医療技術が生殖器系の「不治の病」の克服に段階的な勝利を収めたことを宣言するものでもあります。

早発卵巣不全（POF）とは、さまざまな原因により40歳未満の女性の卵巣機能が不全になることを指し、卵胞刺激ホルモンレベルの上昇やエストロゲンレベルの減少などの症状を引き起こします。早発卵巣不全の女性は、月経周期中に優勢卵胞活動がなく、卵子を得ることができないため、妊娠を達成することが困難です。そのため、早発卵巣不全は業界でも不治の病として認識されています。

「わが国には出産可能年齢の女性約4億人がおり、そのうち早発卵巣不全の発症率は1％を超えています。さらに、わが国の早発卵巣不全患者の卵巣機能評価に対する意識は低く、病気の発見が遅れ、自然妊娠の可能性は極めて低いのです」。南京鼓楼病院生殖医療センターの孫海祥センター長は、素人の言葉で言えば、早発卵巣不全は根から枯れていく花（早発卵巣不全）のようなものだと語った。良い種子（卵子）がなければ、どうして甘い果実（胎児）を生み出せるというのか？したがって、これらの患者の不妊問題を解決する鍵は、卵巣機能を温存し、胚を形成するための高品質の卵子をいかに入手するかにあります。

この世界的な問題を解決するため、中国科学院遺伝学・発生生物学研究所の再生医療研究チームの責任者である戴建武氏は、南京鼓楼病院生殖医療センターと協力し、臍帯間葉系幹細胞を使用して早発卵巣不全と不妊症に介入する初の国際臨床研究を2015年に実施した。この臨床研究は、病院の倫理審査に合格し、国家衛生計画出産委員会に登録された後、我が国が幹細胞臨床研究登録制度を実施した後に登録された最初の8つの幹細胞臨床研究プロジェクトの1つとなりました。

科学者が幹細胞に興味を持つのは、幹細胞が原始的で未分化なタイプの細胞だからです。幹細胞は、適切な条件下で自己再生し、特定の機能細胞に分化することができるため、再生する「能力」を持っていることになります。戴建武氏によると、幹細胞はVEGF、HGF、IGF-Iなどのさまざまなサイトカインを分泌し、特定の経路を通じて顆粒膜細胞の増殖とアポトーシスの調節に関与し、早発卵巣不全の修復という目的を達成できるという。

2015年12月、孫海祥医師の臨床チームは方さんに幹細胞卵巣内移植手術を行った。術後の検査で、孫海祥医師は患者の卵巣の血流が大幅に改善したが、妊娠はしていないことを発見した。 2016年にファンさんはさらに2回の移植手術を受けた。 2017年5月、ファンさんは検査を受け、活発な大きな卵胞があることが確認され、自然妊娠を果たしました。赤ちゃんが健康に生まれたことで、ファンさんの家族の心を悩ませていた心配はようやく解消されました。

中国食品医薬品検査院細胞資源貯蔵研究センター所長の袁宝珠氏は、卵巣再生の臨床研究における画期的な進歩は、高齢女性の卵巣機能不全と卵巣の老化防止に新たな技術的手段を提供したとみている。厳格な監督のもとで、幹細胞技術はより多くの利益をもたらすだろう。

生体材料 - 幹細胞の住処
インテリジェントコラーゲン足場は幹細胞の成長と発達の「温床」のようなもの

幹細胞や成長因子には修復機能がありますが、大きさがミクロンレベルしかないため、血流が豊富なダメージ部位に作用しにくいのです。そのため、体内に注入した幹細胞を、必要な場所にどうやって固定するかが大きな課題となります。

最終的に、戴建武氏のチームはハイドロゲルの形で注射可能なインテリジェントコラーゲン足場材料を開発しました。これを幹細胞と十分に混合した後、患者の卵巣に注入して幹細胞の成長と発達のための「温床」を形成し、幹細胞が卵巣内の「活動」に限定されるようにすることで、この問題を解決しました。

同時に、臍帯間葉系幹細胞がコラーゲン足場材料に付着し、幹細胞の定着と分化を助け、未熟卵巣を修復し、患者の生殖能力の回復を可能にします。さらに、コラーゲン足場は「使命」を終えると、通常は数か月以内に自然に分解され、人体に害を及ぼすことはありません。

戴建武氏によると、コラーゲンは生体機能性、生体適合性、加工性、化学的安定性という4つの主要な特性を持つ生体材料の一種です。いわゆる生体機能性とは、人工関節が自家骨と同等の強度を持つなど、生体材料が臓器や組織に必要な機能性を持つ必要があること、生体適合性とは、生体材料が自家組織や血液と共存でき、無毒、非発癌性、非拒絶性であること、加工性とは、要求に応じて成形でき、滅菌できること、化学的安定性とは、老化や劣化に耐えられることなどを意味します。

「足場としての生体材料は幹細胞の定着と微小環境の再構築を促進し、脊髄や心筋などの欠陥のある組織や臓器の再生と修復のための治療戦略の可能性を提供します」と戴建武氏は述べた。

実際、この魔法のような生物学的足場は臨床試験で何度も使用されており、人類の困難で複雑な病気の解決に大きく貢献しています。

2015年4月、高所から転落して負傷した28歳の男性が、脊髄損傷の治療のために神経再生コラーゲンスキャフォールド手術を受け、成功した。現在、リハビリテーションの後、急性完全胸部脊髄損傷を患うこの被験者は、運動能力が大幅に改善し、自分自身の世話をする能力も大幅に向上しました。

戴建武氏は、この白い生物学的足場は長さ約10センチメートルで、それぞれの直径は1ミリメートル未満であることを示した。使用時には、医師は数本の糸状ステントを直径2～4mmの束にまとめ、患者の脊髄腔の大きさに合わせて脊髄腔内に充填します。コラーゲン足場「パイプライン」のサポートと誘導により、神経が秩序正しく成長し、瘢痕内の再生阻害因子の沈着も抑制されます。

「これは、まず橋を架け、次にこのコラーゲン足場材料の上に間葉系幹細胞を『植える』ことで、両側の神経がそこを通って成長できるようにするのと同じことだ」と戴建武氏は例えで述べた。

戴建武氏は、多分野にわたる技術分野での躍進とバイオテクノロジーの継続的な相互統合により、幹細胞と生体材料に基づく再生医療は将来、人類の生命科学と医療診断・治療における新たな躍進となるだろうと述べた。医療分野における再生医療技術の研究、変革、応用はますます深化していき、現在有効な治療法がない組織や臓器の欠陥に対して可能な治療戦略を提供し、患者に継続的に利益をもたらします。

出典：経済日報

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