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再生医療と人工臓器・ドラッグデリバリーの最近の進歩―「治療・診断のための医療材料システムの開発」―

2010年10月27日

赤池 敏宏

赤池 敏宏(あかいけ としひろ):
東京工業大学フロンティア研究機構研究部門 卓越教授

昭和21年7月生まれ。昭和50年3月東京大学大学院工学研究科合成化学専攻博士課程修了。工学博士。昭和50年4月東京女子医科大学日本心臓血圧研究所助手。平成2年4月東京工業大学生命理工学部教授。平成22年4月東京工業大学フロンティア研究機構研究部門卓越教授現在に至る。専門分野:医用高分子(生体適合性材料・血液適合性材料)、細胞特異性認識材料、糖鎖工学、人工臓器(ハイブリッド人工臓器<肝臓・膵臓>)、ドラッグ(遺伝子)デリバリーシステム、細胞工学、臓器工学、組織工学、再生医療、遺伝子治療。平成元年4月日本バイオマテリアル学会賞受賞。平成17年11月蔵前技術士会市川有功賞受賞。平成19年10月東工大教育賞優秀賞受賞。

主な著書:

器官形成—発生生物学から臓器工学まで—、生命材料工学、生体超分子システム、日経サイエンス別冊「糖鎖と細胞」、人工臓器1994-1995、ティッシュエンジニアリング、再生医工学等、いずれも共著書。生体機能材料学−人工臓器・組織工学・再生医療の基礎−、バイオマテリアルワールドへの御招待 単独執筆

共著者:賀喜 白乙

1. はじめにー人間のからだの恒常性と病気―

 私達の体は、生きている限り時々刻々と変化しているのであるが、血糖値(グルコース血中濃度)、(Ca2+, Na+等々各種のイオン濃度、pH(H+濃度)、水分、体温、血圧等々、様々な基本的な体成分の濃度・物性が一定の範囲内におさまっているメカニズムが作動している。これを体の恒常性(ホメオスタシス)と言っている。最近はやりの“動的平衡(ホメオダイナミックス)”も同じ意味合いと理解してよい。これらの(動的)恒常性が時として大きくくずれることがある。これが病気の状態である。生体の有する復元力(回復力)はよほどに逸脱しない限り適切に回復してくれるのであるが、時には医者の手による薬の処方・投与や適切な切開除去手術なしには回復しない場合もある。

 さらに重い病気の場合には臓器機能を代替する人工臓器の埋め込みや一時装着さらには臓器/細胞移植が必要となる。

医療の柱は予防を別格にして、“診断”と“治療”である。従って的確な診断システムの確立と治療システムの発展はきわめて重要であり、現代医療技術の前線でたゆまざる努力が続けられている。その意味で21世紀は新しい診断と治療へのチャレンジの時代と言うことができる。

2.人工臓器/医用工学の前線

2-1.人工心臓、人工肺、人工腎臓とは?

我々の体の有する生体現象を、工学的な手法を使って積極的に診断し、病気の場合にはさらに治療に役立てていこうというのが医用工学である。

人間の体の中には総距離9万km、総面積6300㎡に及ぶ、百億本(分枝ごとに一本と計算)の毛細血管が走っている。人間の体表面積は2㎡にも満たないので、その大きさの程度が分かる。皆さんはいわば大鉄道王であり、大地主であるといったところだろうか。60兆個の細胞でヒトは成立しているが、そのうちの25兆個が赤血球で、その主成分のヘモグロビンによって酸素を吸脱着し、9万kmに及ぶ血管中を駆けずり巡って、全部の細胞に酸素を運び老廃物とも言うべき炭酸ガスを回収し、肺でそれらの交換作業をしている。血液には腸で吸収され肝臓でその濃度をコントロールされた大量のグルコースが溶けており、このグルコースが酸素とともに流れ各臓器の細胞内に取り込まれることによって酸化(好気的代謝)を受けることで、細胞に不可欠な生体のエネルギーのドル通貨とも言うべき、ATP(アデノシン三リン酸)が最も効率的に生成されている。体内の循環システムは、ポンプ役の心臓が全身九万キロの血管内にグルコースを均一に送り出し、途中の分工場に当たる肺や腎臓、肝臓などが、肺は呼吸器として酸素を外部から効率的取り入れ、腎臓は細胞が排泄する老廃物を一手に引き受け廃棄するなど、それぞれの役割を実行している。医用工学の前線では、平均一年以上にわたり患者の循環機能の代行ができるほどこの人工心臓の性能が上がっている。心臓移植の必要な患者が一年近く待機できるようになったのもこの成果である。

重篤な心臓病手術は数時間本人の心臓と肺の機能をストップさせて行われるが、これを支えているのは人工心臓(ロータリーポンプ型が多い)の他に膜型人工肺(合成高分子膜を介して酸素の血中補給を行う)の性能がレベルアップしたことによる。人工腎臓は完全に腎機能が失われた患者に対して週3回程度、4~5時間/回の透析を繰り返すことで不自由ながらも20~30年間、存命させうるほどにまで性能が上がっている[図1]。大動脈瘤患者に対する人工血管、心臓弁不全患者に対する人工弁の置換手術も今では問題なく行われている。

図1

図1

2-2.生体防御システムとしての人工皮膚、人工肝臓

 皮膚はかなり強硬な甲冑を着衣しているのと同じである。粘膜がむき出しなら、確実に感染する細菌やウイルスを物理的に排除するとともにDNA(遺伝子)に変性を及ぼす強い紫外線も相当程度食い止めている。

 また発汗作用のコントロールを行いながら体重量70~80%にも及ぶ体液の蒸発を防いでいる。このような防衛体制は何層にも及ぶ表皮層の階層構造と毛細血管ネットワークをはりめぐらせた真皮層の組み合わされたインテリジェントシステムで行われている。この皮膚の完全な人工化は困難を極めた。性能的に劣るコラーゲン膜やキチン/キトザンを主成分とした膜、さらには乾燥豚皮が開発されたにすぎない。結局バイオ人工臓器の嚆矢となったハイブリッド(バイオ)人工皮膚の開発にエネルギーは向けられていった。実用化に先鞭をつけたのはアメリカのベンチャー企業数社であったが、これらは悪戦苦闘の後に倒産していった。我が国ははるかに遅れて開発に向かった数社の内、ようやく一社(JTEC社)がようやく実用化に到ったのが最近であるが、これとても経営的には楽観を許さない状態である。(最近富士フイルム(株)が子会社化)

 さて、エネルギーや物質、情報などを外界から取り入れていくためには、どうしても口や鼻、胃、腸などにある粘膜が必要である。危機管理に弱い国境線と言えるのである。それらの防衛軍としては、毛細血管内の白血球やリンパ毛細管内のリンパ球がその任務にあたっている。ちなみに膿は、局所戦で敗れた兵士の遺体すなわち白血球の屍骸である。防衛軍さえしっかりとしていれば、粘膜組織を経た多くの感染症も排除することが可能である。

 毒物は注射でもされない限りふつうの場合、食べ物から入って来るのである。それを防衛しているのが肝臓と言える。肝臓はまさしく解毒システムの総本山で、いろいろな毒物や化学物質をたくみにデザインされた化学反応と輸送反応のシステムで無害なものに変え排出している。

 この解毒機能を容量の大きい活性炭カラムで毒物を物理的に吸着除去することによって強力に代行しているのが、現在実用化されている唯一の人工肝臓(補助肝臓)である。しかしながら生体の肝臓は実際には数百~数千の酵素反応の組み合わせで、複雑で高級な代謝反応、貯蔵等々を行っているので、重症肝疾患々者を救命するためには実際の肝細胞を利用したバイオ人工肝臓の開発が不可欠であるが後に再生医療の箇所でも述べるように幾多の大きな困難のため挫折しつつある。

2-3.糖尿病の診断と治療

統計的数字に基づけば、世界中で糖尿病による合併症で30秒に一人の方が指先などの手足を切除していることを御存知であろうか?それほど多くの患者の手足の指を腐らし、腎臓病を引き起こす合併症の多い悲惨な病気が糖尿病である。糖尿病自身で直接死ぬことが少ないという意味では軽い病気のようにも見えるが、合併症による視力障害、神経障害、動脈硬化、特に腎臓の動脈硬化は悲惨であり、それゆえ現在もっともないがしろにできない病気の一つである。

 最近の統計によると、我が国だけでも糖尿病から来る透析患者が三十万人を超えている。透析費用は一兆五千億円にも昇っている。世界中でも百万人ほどの透析患者であることを考え併せると日本での患者数の多さは異常である。我が国の糖尿病患者数は五百万人、潜在糖尿病患者数は千八百万人と言われており、厚生労働省はこの数字を減少させることなしには、国民総医療費の削減は難しいと判断するに到っている。

 正常な体ではインスリンとグルカゴンの分泌を通じて血糖値のコントロールを精度よく行っているわけであるから患者に対する血糖値の計測とその値に応じたインスリンの注入を目指す血糖値センサーや人工臓器の開発は重要でこれまで20~30年の長きにわたって追求されてきた。しかしながら血中で長期に安定なセンサーはその表面の血液適合性が悪いために全く実用化されてこなかった。それではということで赤外線を用いた光学的手段により経皮的に血糖値を計測しようとする試みも行われている。現在臨床的には血糖値そのものの計測と経過追跡としてヘモグロビンにブドウ糖が結合したHbA1cを計測し利用することが多い。こうした計測データに基づき食事量と連動してインスリンを自己注射する。最近あまり痛くない注射針が開発されたり治療効果の良い経口性の薬(インクレチン関連医薬など)が開発されるなど患者にとってのQOL(生活の質)も随分と上がっている。しかしやはり本物すなわち正常な膵臓、ランゲルハンス島(ラ氏島;主にβ細胞とα細胞からなる)の性能には到底かなうものではない。ラ氏島あるいはβ細胞そのものを組み込んだバイオ人工膵臓技術の開発が望まれる。

3.ドラッグデリバリー・システムへの期待

 前出の様々な疾患の内科的治療で、いま最も期待されている最先端療法が、薬を必要な場所に、必要な時に、必要な量だけ投入する「ドラッグデリバリーシステム(DDS)」である。このDDSはポリ-L-乳酸、ポリグリコール酸、タンパク質

等々の生体内分解性高分子に薬を封じ込め担体が徐々に膨潤・分解するのに伴い薬を放出するシステム(コントロールドリリース)や標的細胞のみを認識して薬を送達させるターゲティング(ミサイル型医薬)のそれぞれ単独あるいは組み合わせで実現する。DDSの手法は21世紀の医療に確実に革新をもたらすものと期待されている。今の投薬法は、事実上は必要でない場所や必要でない時にまで、必要でない量を投与しているようなもので、制ガン剤、免疫抑制剤を筆頭に副作用は大きなり小さいなり避けられない状况である。

言い換えれば、これまで副作用が強いため使用できなかった抗癌剤も、ドラッグデリバリーシステムで、癌部位だけに選択的に到達することが可能であれば、性能の良い治療薬として使うことができる。参考までに筆者のグループで展開中の制がんのための医薬とSi RNA, DDSを利用した図解して示すことにしよう[図2]。

図2

図2

4.再生医療と医薬評価モデルをめざしてーES/iPS細胞利用への期待—

 21世紀の最先端医療におけるもう一つの期待の星が、外科的な治療とも深く関わってくる再生医療である。ES細胞由来の細胞で臓器や臓器にかわる機能細胞を作りあげ、移植するものである。移植医療は、移植用に提供される臓器が少ないことからチャンスがほとんどない実情である。我が国はとりわけその出遅れとためらいが目立つ。それにかわるべき人工臓器は大量生産できるものの、多くの問題点を抱えている。例えば、一つの人工心臓で、二年、三年、四年と生き続けることは難しく、その間に移植できる心臓を探さなければならない。提供者を待っている間に不幸にして亡くなられる患者が多い。

 一方肝臓に目を向ければ、肝臓移植が必要な位重症肝疾患に悩む人は多い。日本では原発性の肝癌は、ほとんど肝炎ウイルスによるもので、ウイルス感染から肝炎、肝硬炎に至るとほぼ100%近くが肝臓癌になると言われてきた。原発性による肝癌は原因も分かっており上手に処置すればインターフェロンをベースにした医薬投与と外科手術により治療できる時代に入りつつある。前々章で述べたように活性炭で毒物を除去する解毒に関しては、人工肝臓でも対応できるが、肝臓の役割は決してそれだけではなく、数百・数千の代謝的・生化学的反応を行っている。

 大量の肝細胞を使ったバイオ人工肝臓を作りたいのであるが、再生能力を持っているはずの肝細胞も、シャーレの中では殆ど増やすことができない。用意できる肝細胞数はせいぜい10万〜100万個程度で、一人の肝臓の肝細胞数2500億にはほど遠く、最低でも5分の1にあたる500億個の細胞がなければ患者を救うことができない。

 しかも、本来の肝臓が果たせなくなった機能の最低1/5は、人工腎臓と同じように、体外循環装置である細胞組込み型バイオ人工肝臓が代替しなければならないのである。

 しかし、人間一人の総血液量が5リットルであるから、1/5にあたる1リットルを体外循環に回すといくら処理後に戻したとしても事実上大出血と同じ状況になるのである。したがって、血液のプライミング容積が300mlから500mlの小さな容量で、2500億個の1/5にあたる500億個分の肝細胞が高密度にパックされた装置が調製されなければならない[図3]。

これまではその要件を満たすこととは難しく事実上あきらめざるをえなかった。そのような状況の中で新規の細胞源の希望の星としてES細胞やiPS細胞が登場してきたのである。

図3

図3

5.ES/iPS細胞をベースとした再生医療への挑戦—開発の両輪となる医学系と工学系のアプローチ—

 受精卵を胚盤胞ぐらいまで成長させるとその中に内部細胞凝集塊と呼ばれ、未分化状態でどの臓器にもなり得るES細胞の原料になりうる細胞が存在している。しかも癌細胞より増殖能力が強く、その特徴を活かせば、理想的なバイオ人工臓器のソースになるのである。徹底したインフォームドコンセントの後に提供される受精卵からES細胞が調製されざるをえないという倫理的な問題がどうしても残るので米国、カソリック教国や我が国などでは研究における消極性は否めない状況にある。

表1

表1

 そのような状況の中で、登場してきたのが、iPS細胞である[図4]。京都大学の山中伸弥教授によるiPS細胞の樹立は、すでに分化した細胞でも、遺伝子を上手に操作することで、未分化で増殖力旺盛かつ、どの臓器にもなり得るES細胞のような未分化細胞にもどすこと(リプログラミング)ができることを明らかにした画期的なものである。しかし、この発見も、医学系の研究だけでなく、筆者等のような工学系の研究者も加わらないとうまく生かされず実用化は難しいと断言できる。今後両者が車輪の両輪となって研究していくことが極めて重要と考えられる。iPS細胞による究極の再生医療は、テーラーメイドのバイオ人工臓器や移植臓器に替わる埋め込み臓器が可能にすることである。そこで具体的に一つの臓器がいくつの細胞から成り立っており、患者一人を救うのにどれくらいの細胞数(とりあえず全体数の1/10程度と概算した。)と細胞分裂回数が必要となるかを[表1]に試算して示した。)例えば、肝硬変で回復の難しい患者を想定してみよう。本人の正常な皮膚細胞や腎臓細胞、血管細胞から、1か月から2か月かけてiPS化した細胞を増やし、それを分化誘導して、肝臓の細胞にする技術はある程度確立している。しかし安全性の確保を含めその量的かつ質的な問題点は数多く、再生医療実現化へのハードルは高い。このような場面にこそ筆者ら工学系研究者の出番である。その出発点においてつくりだされたiPS細胞を基にして、要求される大量の細胞数をダメージの少ない方法で増やし、移植可能なサイズのバイオ人工臓器へと完成させていくのである。これによって、初めて医療分野での実用性が出てくるのであるから、工学分野と医学分野はまさに車の両輪として協力しなければならないのである。

図4

図4

 また、いくら輸血用の赤血球ができると言っても、一人前が何億円もかかるような治療法は現実には成り立たない。やはり大量生産、低コストでバランスよく生産できる方法をバイオエンジニアリングとの協力で生み出すことが必要である。幸いなことに、工学系からスタートした筆者等の研究グループの三十年来の研究結果から、細胞の快適な培養ベッドになる材料が生み出され、体系化され始めている。いろいろなタイプのベッド材料ができ、お好みに応じて細胞を生かしたり料理したりすることができるわけである。言わば細胞加工用のまな板を分子レベルで開発したということもできる[図5]。具体的には、まな板の上に活きのいいES細胞やiPS細胞を寝かしておき、必要に応じて各種サイトカインや薬を投与したり、遺伝子操作したりして、増殖および機能変換することができる。しかも、それらの細胞は、一個ずつ独立させた状態で処理することが可能である。一方、既存の方法は、生きた細胞の上にマウス胎児細胞を敷き詰めるか、あるいはゼラチン・フィブロネクチン等のマトリックスをコートしたシャーレを用意し、その上で飼うしかなく、増えても細胞は大きな凝集塊を形成してしまうため無傷で引き離すことができなかった[図6]。一個一個独立して増やせることは決定的に有利だと判断して、筆者は、4年前に、当時創刊された、アメリカの電子ジャーナル「プロスワン(PLoS one)」の第一号に投稿した。同論文は、掲載後の4年間で、7500件ものダウンロードがなされたとのことである。この数字は、iPS細胞やES細胞をノンストレスで大量培養できることが、いかに重要かということを物語っている。

図5

図5

 成功のポイントは、細胞と細胞を結びつける細胞接着分子マシーンとなるカドヘリンタンパク分子を人工的につくり直し、コーティングできるようにした点である[図7]。その結果、ES細胞やiPS細胞は、敷き詰められたカドヘリン分子のベッド上での接着を担保するために細胞表面全体に分布していたカドヘリン膜タンパク質を接着面だけで使い切っている。しかも、接着状態も、関与しているカルシウムを取り除くと、約10分程度で全て脱離させることができ、次の目的の実験に利用することが可能となった[図8]。

図6

図6

 このような培養方法は培養シャーレの代わりにマイクロビーズやマイクロファイバーをカドヘリンコート担体として使い大量培養系としてスケールアップすることもできるし、肝細胞や神経細胞・心筋細胞へ分化させる目的に使用することもできる。したがって肝細胞や心臓細胞を組み立てうる(ティッシュエンジニアリングできる)数のiPS細胞やES細胞ができた時点で、そのまま培養あるいは専用装置に移して培養することにより目的のバイオ人工臓器にしてしまうという臓器設計戦略をとることもできる。

図7

図7

図8

図8

6. 終わりに

 さて、冒頭に述べたように、私達の体は、極めて巧妙にできている。また、外部環境要因や病気により大きく変動させられ、完全には回復できないとなっても、自力である程度までは回復できる。まずは自分の体を最大限大事に守ることが重要である。DDS技術の進展とともに内科的治療をアップグレイドすることも可能になりつつある。決定的に難しい症状となった場合には、近い将来足りない細胞を少し補ってやる方法さらには性能の良い再生医療デバイスを作り上げる目標に今向かいつつある。私達は医用工学サイドに立って国際性、学術性を備えた研究開発を進めていきたいと思う。それが再生医療・DDSを含む、今後の主要な流れであると確信するからである。着実な診断と治療を実現しようとする冷静な努力と熱い心意気は医療研究最前線でも確実に堅持していきたいと思う。


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