バイオ人工心臓は、脱細胞化された心臓の細胞外構造と異なる起源の細胞成分を含む人工心臓です。このような心臓は、心臓病の研究だけでなく、治療においても特に注目されています。最初のバイオ人工心臓は、2008年にラットの死体心臓を用いて作製されました。[1] [2] [3] 2014年には、ヒトサイズのバイオ人工ブタ心臓が作製されました。[4]ヒト細胞を用いたブタ心臓の再細胞化は、異種移植への道を開くものですが、バイオ人工心臓はまだ臨床用途向けに開発されていません。[4] [5]
背景
心不全は主要な死因の一つです。2013年には、年間総死亡者数5,400万人のうち、推定1,730万人が心血管疾患によるもので、これは世界の総死亡数の31.5%を占めることを意味します。[6]末期心不全に対する唯一の実行可能な治療法は、多くの場合、臓器移植です。[5]現在、臓器の供給は需要を満たすのに不十分であり、末期治療計画に大きな制約が生じています。[2] [5]従来の移植プロセスの理論的な代替手段は、パーソナライズされたバイオ人工心臓の設計です。研究者は心血管組織の設計において多くの進歩を遂げており、脱細胞化および再細胞化された死体心臓を用いて機能的な臓器を作成することを目指してきました。[5]脱細胞化・再細胞化は、死体心臓を用いて、タンパク質マトリックスを維持しながら細胞内容物を除去し（脱細胞化）、その後、残ったマトリックス内で適切な心血管組織の成長を促進する（再細胞化）ことを含む。[5]
近年、研究者たちは成人の心臓に存在する心臓幹細胞の集団を特定してきました。この発見は、心臓内部の幹細胞を採取し、心臓組織に再プログラムすることで心臓細胞を再生するというアイデアを刺激しました。[7]これらの幹細胞の重要性は、自己複製能、心筋細胞、内皮細胞、平滑筋細胞への分化能、そしてクローン形成能です。これらの幹細胞は、細胞間成分のトポグラフィーを安定化させ、心臓の大きさや形状を制御する役割を果たす心筋細胞や、間葉系組織のターンオーバーと維持のための細胞貯蔵庫として機能する血管細胞へと分化することができます。[7]しかし、生体内研究では、移植された心臓幹細胞の再生能力は、マクロファージを介した免疫応答とそれに伴う線維芽細胞を介した創傷治癒によるものであり、これらの効果は生きている幹細胞と死んだ幹細胞の両方で観察されたため、機能によるものではないことが実証されています。[8]
方法論
心臓からすべての細胞成分を除去するための推奨される方法は、灌流脱細胞化です。この技術では、蒸留水に溶解したSDSやトリトンX-100などの界面活性剤で心臓を灌流します。[1]
残存するECMは、コラーゲン、ラミニン、エラスチン、フィブロネクチンなどの構造要素で構成されています。ECMの足場は、適切な細胞増殖と分化、血管の発達を促進するだけでなく、細胞の成長を機械的に支えます。[5]脱細胞化プロセス後にはDNA物質が最小限に抑えられるため、人工臓器は種を問わず移植レシピエントと生体適合性があります。従来の移植方法とは異なり、再細胞化された心臓は免疫原性が低く、拒絶反応のリスクも低減します。[2] [9]
脱細胞化された心臓は、病原体を除去するために滅菌されると、再細胞化プロセスが開始されます。[2]次に、多能性心血管前駆細胞を脱細胞化された心臓に加え、追加の外因性成長因子とともに、心筋細胞、平滑筋細胞、および内皮細胞への分化を刺激します。[10]
再細胞化された心臓機能
最も有望な結果は、再細胞化ラットの心臓から得られました。成熟からわずか8日後、心臓モデルはペーシングのための電気信号で刺激されました。心臓モデルは、正常なラットの心臓の約2%、または16週齢のヒトの心臓の約25%に相当する力で、統一された収縮を示しました。[1] [5]
臨床現場での使用には程遠いものの、バイオ人工心臓生成の分野では大きな進歩がありました。[2] [5] [10] 脱細胞化および再細胞化プロセスの使用により、細胞の成長を促進する3次元マトリックスの生成、適切な細胞組成を含むマトリックスの再増殖、および（限定的な）機能性と刺激に対する反応性を示す臓器のバイオエンジニアリングが実現しました。[2] [5]この分野は非常に有望であり、今後の研究により末期心不全の治療を再定義する可能性があります。
参考文献
- ^ abc Ott, Harald C; Matthiesen, Thomas S; Goh, Saik-Kia; Black, Lauren D; Kren, Stefan M; Netoff, Theoden I; Taylor, Doris A (2008年1月13日). 「灌流脱細胞化マトリックス：自然のプラットフォームを用いたバイオ人工心臓の作製」Nature Medicine . 14 (2): 213– 221. doi :10.1038/nm1684. PMID 18193059. S2CID 12765933.
- ^ abcdef Song, Jeremy J.; Ott, Harald C. (2011年8月). 「脱細胞化マトリックススキャフォールドに基づく臓器工学」. Trends in Molecular Medicine . 17 (8): 424– 432. doi :10.1016/j.molmed.2011.03.005. PMID 21514224.
- ^ Highfield, Roger (2008年1月13日). 「初のバイオ人工心臓、臓器不足の終焉を示唆か」The Telegraph . 2016年2月10日閲覧。
- ^ ab ウェイマン、アレクサンダー;パティル、ニキル・プラカシュ。サバシニコフ、アントン。フィリップ・ユンゲブルース。コルクマズ、セビリア;リー・シーリャン。ベレス、ガボール。スース、パル。イシュトク、ローランド。チャイモウ、ニコール。パッツォルト、イネス。チェルニー、ナタリー。シーズ、カールステン。シュマック、バスティアン。ポポフ、アーロン・フレデリック。サイモン、アンドレ・リュディガー。カルク、マティアス;ザボ、ガボール。ベネデット、ウンベルト（2014年11月3日）。 「バイオ人工心臓: 人間サイズのブタモデル – 今後の方向性」。プロスワン。9 (11) e111591。ビブコード:2014PLoSO...9k1591W。doi : 10.1371/journal.pone.0111591 . PMC 4218780 . PMID 25365554 .
- ^ abcdefghi カロライナ州ガルベスモントン;プラット・ヴィダル、クリスティーナ。ルーラ、サンティアゴ;カロライナ州ソレル・ボティヤ。 Bayes-Genis、アントニ (2013 年 5 月)。 「心臓組織工学とバイオ人工心臓」。Revista Española de Cardiología (英語版)。66 (5): 391–399。土井:10.1016/j.rec.2012.11.012。PMID 24775822。
- ^ Mozaffarian, Dariush; et al. (2015). 「心臓病と脳卒中の統計—2015年最新版」Circulation . 131 (4): e29-322. doi : 10.1161/cir.0000000000000152 . PMID 25520374. S2CID 30224225.
- ^ ab Chamuleau, SAJ Vrijsen, KR Rokosh, DG Tang, XL Piek, JJ Bolli, R. (2009年5月). 「虚血性心疾患に対する細胞療法：心臓内幹細胞の役割に焦点を当てる」. Netherlands Heart Journal . 17 (5). Bohn Stafleu van Loghum: 199– 207. doi :10.1007/BF03086247. OCLC 678293987. PMC 2688018. PMID 19484156 .
{{cite journal}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク) - ^ ヴァグノッツィ、ロナルド J.マイレット、マージョリー。サージェント、ミシェル・A.ハリル、ハディ。ヨハンセン、アン・カトリーヌ・Z。シュヴァネカンプ、ジェニファー A.ヨーク、アレン J.ファン、ヴィンセント。ナーレンドルフ、マティアス。サダヤパン、サクティベル。モルケンティン、ジェフリー D. (2020 年 1 月 16 日) 「心臓幹細胞療法の利点の根底にあるのは急性免疫反応です。」自然。577 (7790): 405–409。土井:10.1038/s41586-019-1802-2。PMC 6962570。PMID 31775156。
- ^ Traphagen, S; Yelick, PC (2009年9月). 「自然の美しさを取り戻す：天然細胞外材料を用いた全臓器工学」.再生医療. 4 (5): 747–58 . doi :10.2217/rme.09.38. PMC 3021746. PMID 19761399 .
- ^ ab Laflamme, Michael A; Murry, Charles E (2005年7月). 「心臓の再生」. Nature Biotechnology 23 ( 7): 845– 856. doi :10.1038/nbt1117. PMID 16003373. S2CID 8265954.
