●第 46 回日本人工臓器学会大会 特別講演 バイオマテリアルからみた再生誘導治療 京都大学再生医科学研究所生体組織工学研究部門生体材料学分野 田畑 泰彦 Yasuhiko TABATA 1. 再生誘導能力をもつ次世代型バイオマテリアル バイオマテリアル（生体材料）とは，生体内で用いる，あ るいは細胞，タンパク質，細菌などの生物成分と触れて用 いるマテリアルである。これらのバイオマテリアルは，今 日の外科・内科治療において広く利用され，その役割が大 を再生修復する 1) ∼ 5) 。これまでのような治療薬のみを DDS の対象とするのではなく，細胞の組織再生能を高める タンパク質や遺伝子を「Dr ug ＝薬」と考えれば，DDS は再 生誘導治療に必要不可欠な技術となる 3),6) ∼ 8) 。 2. 再生誘導治療を支えるバイオマテリアル きいことは疑いない。これまでのバイオマテリアルの開発 イモリのしっぽが再生する現象をヒトで誘導し，治療に では，血栓を作らない性質，細胞や組織となじむ性質，溶 役立てようとする試みが，再生誘導治療である。その基本 血や炎症を起こさない性質などに主眼が置かれてきた。つ アイデアは，自己のもつ自然治癒力を活用することである。 まり，生体に対して積極的に働きかけるのではなく，細胞 細胞の増殖・分化能力を最大限に高めることにより，創傷 や組織に悪い刺激を与えず，生体とうまく融合させるとい 治癒を促すアプローチは，体にやさしい理想的な治療法と うマテリアル設計である。 なる。 治療用材料や人工臓器以外のバイオマテリアル領域にド この再生誘導治療には 3 つの目的がある。第 1 の目的は， ラッグデリバリーシステム（Drug Delivery System, DDS） これまでにない新しい治療法を創製することである。第 2 がある。これは，治療薬をマテリアルと組み合わせ，治療 の目的は治療適用の拡大である。従来の治療が適用外とな 効果を最大限に高めるための技術である。この DDS 研究 る高齢の患者や合併症をもつ患者に対して，自己の自然治 でも，生体のもつ炎症・異物防御システムに刺激を与えず， 癒力を高めることによって治療を受けられるようにするこ うまくそれを回避できる方向でマテリアル開発が進められ とである。第 3 の目的は，自然治癒力のもとである細胞の てきた。 増殖・分化能力を増強することによって，病気の悪化進行 しかしながら，近年，バイオマテリアルは大きく変化し を抑制することである。現在，再生誘導治療の目的として てきている。生体から排除されず，生体になじみ，融和す は 1 番目のイメージが強いが，いずれの目的も重要であり， る性質を求めるのではなく，逆に，生体に積極的に働きか むしろ，第 2，第 3 の目的のほうが，治療の観点からの実用 ける性質をもつマテリアルの研究開発が始まっている。そ 性は高いと考えられる。もちろん，再生誘導治療にも長所 の代表例が，生体組織の再生誘導治療（一般には，再生医 と短所があるが，生体融和型のバイオマテリアルを利用し 療と呼ばれている）へのバイオマテリアルの応用である。 た従来の再建外科や臓器移植の欠点を補い，治療の選択肢 バイオマテリアルを活用することで，細胞の増殖・分化能 が増すことから，近年，第 3 の治療法として期待されてい 力に基づく自然治癒力によって創傷治癒を促し，生体組織 る。加えて，内科的な薬剤投与手段により，組織の再生誘 導能力を高め，肝硬変，慢性腎炎，肺線維症，拡張型心筋症 ■著者連絡先 京都大学再生医科学研究所生体組織工学研究部門生体材料 学分野（〒 606-8507 京都府京都市左京区聖護院川原町 53） E-mail. [email protected] 8 などの難治性慢性線維性疾患の悪化を抑制あるいは治療し たり 8)，血管壁にできた瘤（動脈瘤）を生体組織によって完 全に閉鎖してしまうという画期的な血管内カテーテル治療 人工臓器 38 巻 1 号 2009 年 などの試みも始められている 9) 。このように，今後は，自 要である。また，移植細胞の生物機能の増強を目指した遺 然治癒力を利用した再生誘導治療の概念は，外科，内科を 伝子核酸導入のためのバイオマテリアル技術の開発も大切 問わず，あらゆる治療領域において，重要な役割を演じて である 5),7),11) 。ウイルスを用いない遺伝子発現増強技術 いくと考えられる 4),5),8),9) 。 として，細胞内でのプラスミド DNA の徐放化 10)，あるい 再生誘導治療の基本概念は，細胞の能力を活用すること はリバーストランスフェクション法 11),12) も期待されてい であるが，細胞の与え方によって大きく 2 つに分けられる。 る。これらの 2 つの技術は，再生医療だけではなく，それ 1 つ目は，外から移植した細胞によって生体組織の再生を を学術的に支える幹細胞とその周辺環境に関する基礎生物 誘導するアプローチである。2 つ目は，体内に存在してい 医学研究にも応用できる。 る細胞を活用する方法である。人工的に作製できるバイオ 生体内において，不安定で寿命の短いタンパク質や遺伝 マテリアルや利用可能な生体シグナル因子（ペプチド，タ 子を利用するには，DDS 技術が必要不可欠である。われわ ンパク質，遺伝子など）を用いて，もともと体内に存在し れは，生物活性をもつ細胞増殖因子，タンパク質および遺 ている細胞を必要部位に呼び込み，その部位における生体 伝子などの徐放化ができる生体吸収性バイオマテリアルか 組織の再生修復を誘導する（体内再生誘導）。 らなるハイドロゲルを開発してきた。すでに，この徐放化 この両方のアプローチが現実味を帯びてきた背景に，2 技術によって様々な生体組織の再生誘導が実現されてい つの研究分野の進歩があることを忘れてはならない。1 つ る 1),3),5),13) 。例えば，ゼラチンハイドロゲルからの塩基性 目の研究分野は，再生現象にかかわる細胞についての基礎 線維芽細胞増殖因子（bFGF）の徐放化技術は，虚血性疾患 生物医学（再生医学と呼ばれる）であり，もう１つがバイオ に対する血管誘導治療や，骨，軟骨，脂肪，皮膚真皮，およ マテリアルである。細胞の再生誘導能力を活用した治療を び胸骨と胸骨周辺軟組織の再生治癒促進治療を可能にして 実現するためには，細胞が増殖・分化しやすい環境を作る いる。bFGF 徐放化による血管誘導治療効果は，正常動物 技術・方法論が必要となる。この研究領域は，生体組織工 だけではなく，自然治癒力の劣っている糖尿病あるいは高 学（ティッシュエンジニアリング）と呼ばれ，次世代のバイ 脂血症疾患をもつ動物においても認められている 4) 。血管 オマテリアル学と位置づけられる 2) ∼ 5),7) 。 誘導治療のヒト臨床試験がすでに始まり，良い成績が得ら 再生誘導治療の目的は，欠損した生体組織の再生誘導と， 軟骨， れている 14) 。bFGF 徐放化による糖尿病性皮膚潰瘍， 荒廃した臓器の機能代替による病気の治療である。この目 および歯周組織などの再生誘導治療の臨床試験でも，良い 的を達成するために，バイオマテリアルは以下のような重 。bFGF 以外の細胞増 治療効果が認められている 15)（図1） 要な役割を果たしている。①生体内での細胞の増殖・分化 殖因子として，神経細胞のアポトーシスを抑制する作用を のための足場 1), 2)，②生体組織の再生誘導のための生体内 もつインシュリン様増殖因子（IGF） -1 の徐放化による難聴 スペースの確保，③生体内での生体シグナル因子の生物活 治療 16) の臨床試験も始まり，現在，19 施設で異なる疾患に 性の制御 4) ∼ 6),10)，④細胞の単離，増殖，分化のための培養 対する臨床研究が進められている（表1）。 足場と装置 2),3)，および⑤細胞の生物機能の増強，改変で ある 7) 。 できる。例えば，bFGF と肝細胞増殖因子（HGF）とを同時 バイオマテリアル技術を利用した再生誘導治療 3. ハイドロゲル技術により複数の因子を徐放化することも の実際 に徐放化することによって，より成熟度の高い新生血管を 得られることがわかっている 17) 。また，血小板豊富血漿 （PRP）をハイドロゲルと組み合わせることで，血小板中に 欠損部周辺組織の再生能力が高い場合には，欠損部へ生 含まれる細胞増殖因子の混合物が徐放化され，骨，半月板， 体吸収性の足場あるいはスペース確保のためのバイオマテ 脊髄核などの再生修復も実現している。徐放化技術によっ リアルを与えるだけで，欠損組織の再生誘導は可能とな て，PRP の問題であった治療効果のバラつきも解消され る 1) 。しかし，欠損部周辺組織の再生能力が低いあるいは 望めない場合には，これらのバイオマテリアルのみでは， た 4),5) 。 いかに優れた能力をもつ細胞でも，酸素および栄養の供 生体組織の再生誘導は期待できない。そこで，細胞，タン 給がなければ，生体内ではその生存も生物機能の発現も期 パク質，あるいは遺伝子の利用が必要となる 1) ∼ 3),6),10) 。 待できない。bFGF 徐放化による血管誘導技術は，膵ラン 十分な数の質の高い移植細胞を得るためには，例えば，バ ゲルハンス島，肝細胞，心筋細胞，腎尿細管上皮細胞，ある イオマテリアル足場とバイオリアクタなどを組み合わせる いは ES 細胞などの生体内での機能維持ならびに治療効果 ことによって，培養時の細胞の周辺環境を整える工夫が必 を有意に増強させた。加えて，生体外で作製した組織様構 人工臓器 38 巻 1 号 2009 年 9 (a) (b) 図1 塩基性線維芽細胞増殖因子（bFGF）徐放化ハイドロゲルを利用した，下肢虚血治療に 対する血管再生誘導治療（a）と歯周組織の再生誘導治療（b） 表1 細胞増殖因子の徐放化技術を用いた再生誘導治療の臨床研究 疾患・手術名 増殖因子 効用 施設数 心臓グラフト手術 ASO，Burger 病 糖尿病症皮膚潰瘍 歯周組織炎 感音声難聴 半月板損傷 顔面形成 術後正中創形成 軟組織形成 顔面神経麻痺 指切断形成 bFGF bFGF bFGF bFGF IGF-1 PRP bFGF bFGF bFGF bFGF bFGF 血管新生 血管新生 血管新生，皮膚新圧促進 歯槽骨再生 神経変性の抑制 軟骨再生 軟骨再生，軟組織再生 胸骨再生，血管新生 脂肪組織再生 神経機能回復促進 血管新生，組織再生 1 4 3 3 2 1 1 1 1 1 1 ASO, 閉塞性動脈硬化症 ; IGF-1, インシュリン様細胞増殖因子 1; PRP, 血小板豊富血漿 造物の移植効率と治療効果とを改善させることもわかって いる 1),4),5) 。このように，細胞移植治療の成績向上のため 能を備えている。そこで，我々はこの 2 つの作用を同時に もつ，天然の足場に近い機能性足場のデザインを試みた。 には，血管新生技術が key となると考えられる。また，縫 前述の BMP-2 徐放化ハイドロゲル材料から 3 次元スポンジ 合糸に bFGF 徐放化ハイドロゲルをコーティングして使用 足場を作製した。足場内のスポンジ構造の維持が細胞の増 することで，自己の治癒能力の乏しい場合にも，癒合不全 殖・分化には必須であり，β - リン酸 -3- カルシウム（TCP） を起こさず，早期の創傷治癒が認められている 18) 。 粉末を組み込むことで，スポンジの力学強度を高めた。こ 骨形成因子（BMP）-2 は，ラット，ウサギなどで強力な骨 の力学補強により，期待通り，骨髄由来間葉系幹細胞の増 誘導活性が報告されている。しかしながら，サルのような 殖と骨分化の促進が認められた 5) 。また，このスポンジは 高等動物では，高い投与量が必要であった。そこで，我々 BMP-2 を徐放し，皮下埋入時にスポンジ周辺部と内部に骨 が生体吸収性ハイドロゲルを利用して BMP-2 を徐放した 形成が認められた。癌の再発防止のための放射線照射は， ところ，動物種によらず，低い投与量で異所性および同所 癌切除後の骨欠損部における自己再生能力を消失させる 性の骨再生を増強できることがわかった 5) 。 が，BMP-2 含浸力学補強スポンジと骨髄細胞の混合物は， 天然の足場（細胞外マトリクス）は，細胞の増殖・分化の 通常の方法では治療効果が期待できない放射線照射骨欠損 ための基材と，細胞増殖因子の作用を促すという 2 つの機 部においても，有意に骨再生修復を誘導することがわかっ 10 人工臓器 38 巻 1 号 2009 年 文 献 た。 細胞増殖因子タンパク質ではなく，遺伝子を利用した生 体組織の再生誘導も試みられている 3) ∼ 5),7),10) 。例えば， プラスミド DNA の徐放化が遺伝子の発現レベルを高め， 発現期間を延長，また，small interfering RNA（siRNA）の 徐放化が毛髪成長を促進，あるいは慢性腎炎の抗線維化治 療を実現させた 4),5) 。siRNA を用いた細胞分化の制御も可 能となりつつあり，DDS 化 siRNA は，幹細胞の生物医学研 究や移植細胞の機能改変のための有効な技術として期待さ れる。 4. ますます高まるバイオマテリアル技術の重要性 これまで述べてきたように，生体内の欠損部に外科的に 再生誘導の場を作る「外科的再生誘導治療」とは異なり，線 維化組織を消化分解することで，臓器内に再生誘導の場を 確保し，周辺の正常組織の再生誘導能力を介して，難治性 慢性線維性疾患の治療を行う「内科的再生誘導治療」の試 みも始まっている 3) ∼ 5),8) 。「外科的再生」と「内科的再生」 のいずれも，生体のもつ潜在的な再生誘導能力を引き出し， それを利用して病気の治療のきっかけを与えるという点で 共通している。細胞増殖因子，プラスミド DNA，および siRNA の DDS 化により，自然治癒力を高め，線維化疾患の 悪化抑制とその発症抑制が可能になってきている 3) ∼ 5),8) 。 近年，増殖・分化能力の高い「万能」細胞が入手でき，ま すます再生医療＝細胞移植治療というイメージが定着して しまった感が強い。このイメージが間違っていると言って いるわけではない。しかし，細胞移植することなく，もと もと体の中に存在する細胞の能力をうまく活用すること で，再生修復を可能とする次世代のバイオマテリアル学が 現実となってきている。また，生体内での細胞の治療効果 が，バイオマテリアル技術と組み合わせることによりで高 まることが報告されている 19) 。DDS 技術も含めた再生誘 導バイオマテリアルが研究開発され，すでに臨床において その再生誘導治療効果が確認されている（図1，表１）。細胞 の増殖・分化を完全にはコントロールできない現在の科学 技術レベルを考慮すると，現時点では，生体内に存在する 細胞の能力を活用するという治療アプローチが現実的であ る。このアプローチであれば， 「もの作り日本」の優位性を 活かせることも疑いない。再生誘導治療の最終目的は，再 生現象の科学的解明ではなく，患者の病気を治すことであ る。患者は新しい治療法を待っている。先端医療における バイオマテリアルのポテンシャルを再認識していただき， バイオマテリアル学がより大きく展開することを願って止 まない。 1) 田畑泰彦編：再生医療へのブレイクスルー ̶その革新技 術と今後の方向性 遺伝子医学 MOOK 1 号，メディカル ドゥ，大阪，2004 2) 田畑泰彦編：再生医療のためのバイオマテリアル 再生 医療の基礎シリーズ ̶ 生医学と工学の接点 ̶ 5，コロナ 社，東京，2006 3) Tabata Y: Current status of regenerative medical therapy based on drug delivery technology. Reprod Biomed Online 16: 70-80, 2008 4) 田畑泰彦：再生誘導治療のためのバイオマテリアル技術． バイオマテリアル 26: 226-33, 2008 5) 田畑泰彦：バイオマテリアルからみた再生誘導治療の実 際と展望．バイオサイエンスとインダストリー 66: 542-8, 2008 6) 田畑泰彦編：ドラッグデリバリーシステム，DDS 技術の 新たな展開とその活用法 遺伝子医学別冊，メディカル ドゥ，大阪，2003 7) 原島秀吉，田畑泰彦編：ウイルスを用いない遺伝子導入 法 の 材 料， 技 術， 方 法 論 の 新 た な 展 開 遺 伝 子 医 学 MOOK 5 号，メディカル ドゥ，大阪，2006 8) 山本雅哉，田畑泰彦：線維性慢性疾患に対する組織再生 誘導治療．Drug Delivery Syst 20: 110-7, 2005 9) 宮本 享，川上 理，波多野武人，他：動脈瘤の再生誘 導カテーテル治療．Drug Delivery Syst 20: 118-27, 2005 10) Yamamoto M, Tabata Y: Tissue engineering by modulated gene delivery. Adv Drug Deliv Rev 58: 535-54, 2006 11) Okazaki A, Jo J, Tabata Y: A reverse transfection technology to genetically engineer adult stem cells. Tissue Eng 13: 245-51, 2007 12) Nagane K, Kitada M, Wakao S, et al: Practical Induction System for Dopamine-Producing Cells from Bone Marrow Stromal Cells Using Spermine-Pullulan-Mediated Reverse Transfection Method. Tissue Eng Par t A. 2009 Jan 16. [Epub ahead of print] 13) 松本邦夫，田畑泰彦編：細胞増殖因子と再生医療，メディ カルレビュー社，大阪，2006 14) Marui A, Tabata Y, Kojima S, et al: A novel approach to therapeutic angiogenesis for patients with critical limb ischemia by sustained release of basic fibroblast growth factor using biodegradable gelatin hydrogel: an initial report of the phase I-IIa study. Circ J 71: 1181-6, 2007 15) 田畑泰彦：DDS からみた再生治癒促進治療（再生医療）. Med Sci Digest 34: 103-6, 2008 16) Lee KY, Nakagawa T, Okano T, et al: Novel therapy for hearing loss: delivery of insulin-like growth factor 1 to the cochlea using gelatin hydrogel. Otol Neurotol 28: 976-81, 2007 17) Marui A, Kanematsu A, Yamahara K, et al: Simultaneous application of basic fibroblast growth factor and hepatocyte growth factor to enhance the blood vessels formation. J Vasc Surg 41: 82-90, 2005 18) Hamada Y, Katoh S, Hibino N, et al: Effects of monofilament nylon coated with basic fibroblast growth factor on endogenous intrasynovial flexor tendon healing. 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