人工皮膚

人工皮膚は、ヒトなどの哺乳類の皮膚再生を促すコラーゲン足場です。この用語は、1970年代後半から1980年代初頭にかけて、重度の熱傷に対する新しい治療法を説明するために使用されました。その後、この足場を用いて成体の動物やヒトの深部皮膚創傷を治療すると、真皮の再生が促されることが発見されました。[ 1 ] Integraという名称で商業的に開発され、重度の熱傷患者、皮膚形成外科、慢性皮膚創傷の治療に使用されています。 [ 2 ]

あるいは、「人工皮膚」という用語は、実験室で培養された皮膚のような組織を指すこともありますが、この技術が医療分野で実用化されるまでには、まだかなりの時間がかかりそうです。また、「人工皮膚」は、義肢（これも実験段階）を装着した人のために触覚を感知できる柔軟な半導体材料を指すこともあります。

背景

皮膚は人体最大の器官です。[ 3 ]皮膚は表皮、真皮、そして皮下組織とも呼ばれる脂肪層の3層で構成されています。表皮は皮膚の外側の層で、体内の重要な体液を保ち、有害な細菌の侵入を防ぎます。真皮は皮膚の内側の層で、血管、神経、毛包、皮脂腺、汗腺が含まれています。[ 4 ]皮膚の広範囲に重度の損傷が生じると、脱水症状や感染症に陥り、死に至る可能性があります。

広範囲にわたる皮膚の喪失に対処する従来の方法は、患者自身の皮膚移植（自家移植）、非血縁者ドナー、または死体からの皮膚移植でした。前者には十分な皮膚が確保できないという欠点があり、後者には拒絶反応や感染の可能性があります。20世紀後半までは、皮膚移植は患者自身の皮膚から行われていました。しかし、皮膚が広範囲に損傷した場合、自家移植のみでは重傷患者を治療することが不可能になるという問題が生じました。[ 5 ]

再生皮膚：発見と臨床応用

皮膚の再生を誘導するプロセスは、イオアニス V. ヤナス(当時、マサチューセッツ工科大学機械工学科繊維・ポリマー部門助教授) とジョン F. バーク(当時、マサチューセッツ州ボストンのシュライナーズ・バーンズ研究所主任) によって発明されました。彼らの最初の目的は、創傷閉鎖を早めることで重度の皮膚創傷を感染から守る創傷カバーを発見することでした。合成ポリマーと天然ポリマーでできた数種類の移植片が作られ、モルモットの動物モデルでテストされました。1970 年代後半までには、当初の目的は達成されていないことが明らかになりました。むしろ、これらの実験的な移植片は、一般的に創傷閉鎖の速度に影響を与えませんでした。しかし、あるケースでは、特定の種類のコラーゲン移植片が創傷閉鎖を著しく遅らせました。[ 6 ]組織学サンプル を注意深く調べた結果、創傷閉鎖を遅らせる移植片は、自発的な創傷治癒反応の正常な結果である瘢痕形成ではなく、損傷部位で新しい真皮の新規合成を誘発することが明らかになった。これは、成体哺乳類で自然に再生しない組織（真皮）の再生を初めて実証した。[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]最初の発見の後、さらなる研究により、臨床試験で評価される移植片の構成と製造が行われた。[ 11 ] [ 13 ]これらの移植片は、ミクロフィブリルI型コラーゲンとグリコサミノグリカンであるコンドロイチン-6-硫酸のグラフト共重合体として合成され、凍結乾燥によって多孔質シートに加工され、その後、脱水熱処理によって架橋された。[ 14 ]コラーゲン足場の構造特性（平均孔径、分解速度、表面化学）の制御は、最終的に、その特異な生物学的活性の重要な前提条件であることが判明しました。1981年、バークとヤナスは、彼らの人工皮膚が50～90%の火傷を負った患者に効果を発揮し、回復の可能性を大幅に高め、生活の質を向上させることを証明しました。[ 15 ] [ 16 ]ジョン・F・バークも1981年に、「[人工皮膚]は、火傷した皮膚を覆うために使用される他の物質とは異なり、硬くて硬くなく、柔らかくしなやかである」と主張しました。[ 17 ]

MITは、真皮再生を誘導できるコラーゲンベースの移植片の開発に関して、複数の特許を取得しました。米国特許4,418,691号（1983年12月6日）は、再生皮膚プロセスの発明に関する重要な特許として、全米発明家殿堂に挙げられています（Inductees Natl. Inventors Hall of Fame, 2015 [ 18 ] ）。これらの特許は後に、1989年に設立されたIntegra LifeSciences Corp.によって製品化されました。 [ 19 ] Integra Dermal Regeneration Templateは1996年にFDAの承認を受け、同年にFDAはこれを「重要な医療機器のブレークスルー」に指定しました。[ 20 ]それ以来、世界中で、重度の火傷[ 21 ]や外傷性皮膚創傷 [ 22 ] の治療のために新しい皮膚を必要とする患者、[ 23 ]皮膚の形成外科手術を受ける患者、[ 24 ]特定の形態の皮膚癌を患っている患者などの治療に応用されてきました。

臨床現場では、活性コラーゲンスキャフォールドから作製した薄い移植シートを創傷部位に置き、その上にシリコンエラストマーの薄いシートをかぶせることで、創傷部位を細菌感染や脱水から保護します。創傷閉鎖を早めるために、移植片に自己細胞（ケラチノサイト）を播種することも可能ですが、真皮の再生にはこれらの細胞は必須ではありません。[ 10 ]インテグラを用いて皮膚創傷を移植すると、正常な血管新生と神経支配を受けた真皮が新たに合成され、その後、上皮再形成と表皮形成が起こります。初期のスキャフォールドでは毛包や汗腺の再生は不可能でしたが、その後、STボイスらによる開発により、この問題は解決されました。[ 25 ]

活性コラーゲンスキャフォールドを用いた再生メカニズムは、ほぼ解明されている。このスキャフォールドは、適切な比表面積（細孔径20～125 μm）、分解速度（分解半減期14±7日）、表面化学的特性（インテグリンα1β1およびα2β1のリガンド密度が約200 μMのα1β1およびα2β1リガンドを超える必要がある）で調製されていれば、再生活性を維持する。[ 26 ]このスキャフォールド存在下で皮膚再生を誘導するには、十分な数の収縮細胞（筋線維芽細胞）がスキャフォールド表面に特異的に結合し、それが限られた時間内に起こる必要があるという仮説が立てられている。[ 27 ]皮膚創傷に関する研究は、切断された末梢神経にも拡張されており、これらのエビデンスを総合すると、このスキャフォールドを用いた皮膚と末梢神経の再生メカニズムは共通であることが示唆される。[ 28 ]

設計上の考慮事項

人工皮膚の製造においては、生体組織と同様の生物学的・機械的性能を持つものを模倣することが困難です。Integraの創設者であるヤナス氏とバーク氏が概説したように、人工皮膚の製造には、材料、生体／物理化学的特性、そして機械的特性という3つの重要な要素を考慮する必要があります。[ 7 ]

材料

人工皮膚の設計において最も重要なのは材料の選択である。適切な機能を果たすための適切な特性を持ちつつ、身体との生体適合性も備えている必要がある。人間の皮膚は、I 型コラーゲン、エラスチン、グリコサミノグリカンでできている。[ 29 ]インテグラ社の人工皮膚は、コラーゲンとグリコサミノグリカンの共重合体でできている。 [ 7 ]コラーゲンは親水性ポリマーであり、その分解と剛性は架橋度によって制御できる。しかし、コラーゲンは脆く、酵素コラーゲナーゼによって分解されやすい場合がある。材料をより強靭で耐性のあるものにするために、グリコサミノグリカン (GAG) との共重合体が形成される。GAG はショックアブソーバーとして機能する長い多糖類である。コラーゲン - GAG (CG) マトリックスはコラーゲン単独よりも弾性率が高く、破壊に必要なエネルギーも大きいため、より理想的な材料となっている。[ 7 ]通常、マトリックスには保護層として機能するシリコーンの外層が塗布される。[ 30 ]合成皮膚に使用できる別の材料はエラスチンです。[ 31 ]エラスチンはGAGと同様の効果があり、材料の引張強度と圧縮弾性率を低下させながら靭性を高めます。[ 31 ]

機械的特性

材料は生体適合性があり増殖を促すだけでなく、適切な代替品として機能するためには、実際の皮膚と同様の機械的特性も持たなければならない。皮膚は人体の最初の防御線であるため、多くの化学的および機械的攻撃を受ける。したがって、人工皮膚は日常活動で起こる伸張に対して強く、裂けにくくなければならない。また、手術による縫合に耐えるだけの強度も必要である。剛性はいくつかの方法で制御できる。前述のように、化学的または生物物理学的方法による架橋がある。[ 32 ]化学的方法ではより強い材料が生成されますが、生物物理学的方法の方が細胞増殖を促進します。[ 32 ]さらに、皮膚は粘弾性がありヒステリシスを起こすことが指摘されている。つまり、時間依存の応力緩和係数があり、除荷時には別の経路をたどる。

もう一つの重要な考慮事項は、材料の濡れ性です。これは、液体が固体表面と接触を維持する能力です。CGマトリックスメンブレンが創傷床基質を適切に濡らさない場合、気泡が形成され、感染につながる可能性があります。[ 7 ]メンブレンは表面に覆いかぶさるように硬すぎてはなりません。さらに、せん断力（横方向）または剥離力（垂直方向）によってメンブレンが変位し、気泡が再形成される可能性があります。これは、 2つの表面の間に痂皮やかさぶたのような接着結合を加えることで軽減できます。合成皮膚の機械的特性はヒトと全く同じである必要はありませんが、弾性係数、引裂強度、破壊エネルギーなどはヒトと同等であるべき主要な特性です。[ 7 ]

生体物理学的および生理化学的特性

最終的に、合成皮膚の目的は、創傷を閉鎖し、新しい皮膚を再生することです。これは、まず創傷に密着し、新生真皮の成長を可能にする気密シールを形成することを意味します。この間、合成皮膚は分解し、新しく成長する皮膚のためのスペースを確保する必要があります。そのため、生体適合性と分解性も設計において考慮されています。[ 7 ]

さらなる研究

人工皮膚の研究は継続的に行われています。アビタ・メディカル社が製造する自己組織化スプレー皮膚[ 33 ]などの新しい技術は、治癒を早め、瘢痕を最小限に抑えるための試験が行われています。

フラウンホーファー界面工学・バイオテクノロジー研究所は、人工皮膚の製造プロセスを完全に自動化することを目指しています。彼らの目標は、血管のないシンプルな二層構造の皮膚を開発することです。この皮膚は、クリームや医薬品などの消費者製品と皮膚の相互作用を研究するために使用できます。最終的には、移植に使用できるより複雑な皮膚の製造を目指しています。[ 34 ]

ドイツ、ハノーバー医科大学形成外科・手外科・再建外科のハンナ・ウェント氏と同僚チームは、クモの糸を用いて人工皮膚を作成する方法を発見しました。しかし、これまではコラーゲンなどの材料を用いて人工皮膚を作製していました。しかし、これらの材料は強度が不十分であると考えられていました。そこで、ウェント氏とチームは、ケブラー繊維の5倍の強度を持つことが知られているクモの糸に着目しました。この糸は、キンイロクモの絹糸腺から「搾乳」することで採取されます。採取した糸はそのまま巻き取られ、長方形の鉄骨に編み込まれました。鉄骨の厚さは0.7mmで、この編み物は取り扱いや滅菌が容易でした。この網目状の糸にヒトの皮膚細胞を加え、栄養、温熱、空気が供給される環境下で繁殖することが確認されました。しかし、現時点では、クモの糸の採取に手間がかかるため、クモの糸を用いて人工皮膚を大量に作製することは現実的ではありません。[ 35 ]

オーストラリアの研究者たちは現在、人工皮膚を製造するための革新的な新手法を模索しています。この方法により、より迅速かつ効率的に人工皮膚を製造できるようになります。製造される皮膚の厚さはわずか1ミリメートルで、表皮の再生にのみ使用されます。また、必要に応じて真皮が自己修復できるよう、皮膚の厚さを1.5ミリメートルにすることも可能です。この方法では、ドナーまたは患者自身の骨髄が必要になります。骨髄は「シード」として使用され、真皮を模倣するために移植片に移植されます。この方法は動物実験で、動物の皮膚でも有効であることが証明されています。マイツ教授は次のように述べています。「オーストラリアでは、体表面積の最大80%に及ぶ全層熱傷を負った人でも、生存の可能性は十分にあります。しかし、現時点では熱傷を負った皮膚を正常な皮膚に置き換えることができないため、彼らの生活の質は依然として疑問視されています。私たちは、生きた皮膚と同等の技術を開発することで、生存に伴う苦痛に見合うだけの価値があるようにすることに尽力しています。」[ 36 ]

合成皮革

義肢装着者の触覚を感知できる柔軟な半導体材料から作られた、もう一つの「人工皮膚」が開発されました。[ 3 ] [ 37 ]この人工皮膚は、ロボットが繊細で繊細な「触覚」を必要とする基本的な作業を行う上で、その能力を高めることが期待されています。[ 3 ] [ 38 ]科学者たちは、人工皮膚の内側に電荷を蓄える2つの平行電極を備えたゴム層を塗布することで、微量の圧力を検知できることを発見しました。圧力が加わると、ゴムの電荷が変化し、その変化が電極によって検知されます。

しかし、この膜は非常に小さいため、皮膚に圧力がかかると分子は動く場所がなく、絡み合ってしまう。また、圧力が除去されても分子は元の形に戻らない。[ 39 ]近年の合成皮膚技術では、非常に特定の波長の光を反射する人工の隆起を利用して、薄いシリコン層に色を変える特性を与えることで、この技術が開発された。これらの隆起の間隔を調整することで、皮膚に反射する色を制御することができる。[ 40 ]この技術は、色を変えるカモフラージュや、建物、橋、航空機などの通常は検知できない欠陥を検知できるセンサーなどに利用できる。

3Dプリンター

マドリード・カルロス3世大学、エネルギー・環境・技術研究センター、グレゴリオ・マ​​ラニョン大学総合病院とバイオダングループは、本物の皮膚と全く同じように機能する人間の皮膚を作成できる3Dバイオプリンターを開発しました。[ 41 ]

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