ナノ材料を活用した先進再生療法：免疫応答を制御する新戦略

銃撃や刺傷を受けた人間が身体を再生する映画を見たことがない人はいないでしょう。

有名な例はウルヴァリンの自己治癒能力です。まだその域には遠いですが、こうした空想が科学の進歩を駆動し、やがて現実になるかもしれません。

この方向への大きな一歩は、失われたり機能しなくなったりした天然組織を置き換える人工組織の生産です。チタン製義肢などがその例です。

しかし、マーベルのキャラクターのように身体を再生するレベルに達するには、技術をさらに次のレベルへ引き上げる必要があります。そして、その走り出しはすでに始まっているようです。

科学者たちは、ナノ材料ベースのアプローチを用いて細胞の増殖、免疫応答、組織リモデリングを制御することで、人体が自らの組織を再生するのを助ける新しい戦略を開発しました。

このエキサイティングな新しい科学分野は再生医療として知られています。

詳しくお話ししましょう！

ナノ材料と再生医療の関係

前回の記事「がん検出・治療のための先進磁性ナノ粒子」で見たように、材料が極めて小さな次元に縮小されると、根本的に異なる特性を獲得することがあります。科学は日々、これらのナノテクノロジー特性の新たな応用を見出しています。

ナノ材料の大きな可能性の一つは、ヒト生体分子（抗体、サイトカイン、ホルモンなど）と結合させることで免疫応答を「調節」できることです。

しかし、この「調節」とは何を意味するのでしょうか？

免疫応答の制御

免疫システムは身体の軍隊です。そしてどんな軍隊でも、兵士は攻撃と破壊だけでなく、支援資源としても使われます。例えば、免疫システムは怪我後の組織再生から、代謝毒素や有害な異物の排除による環境の不均衡制御まで、あらゆる事態に対処します。

この制御、つまり調節は、無数の生体分子（サイトカイン、インターロイキン、ホルモンなど）によって調整され、それらの濃度が細胞に常にどう振る舞うべきかを伝えるシグナルとして機能します。

患者のやけどを覆うために人工材料を使用する場合、最終的には患者の身体に統合されることが望ましいです。具体的には、患者の細胞が新しい材料に定着・増殖し、最終的に患者自身の組織に置き換わることを期待します。

残念ながら、免疫システムはしばしばその材料を身体に異質な実体と認識し、線維性結合組織で壁を作って隔離しようとします。このプロセスは線維化として知られています。これは細胞に乏しいが分子（コラーゲンやフィブリンなどの高分子）が豊富で、細胞を構造的に支える材料です。その特性は元の組織とは大きく異なります。多くの方が、瘢痕組織が正常な皮膚に比べてどれほど硬いかをご存知でしょう。関節にある瘢痕は可動域を妨げることさえあります。

Figure 1 関節拘縮を伴う肥厚性瘢痕形成 Aarabi S, Longaker MT, Gurtner GC (2007) Hypertrophic Scar Formation Following Burns and Trauma: New Approaches to Treatment. PLoS Med 4(9): e234. doi:10.1371/journal.pmed.0040234

前回の記事「PLAからバイオプリントへ：医療分野のためのSFツール」で紹介したように、免疫システムによる拒絶反応への対策として、コラーゲンなどの分子からスキャフォールド（患者自身の細胞によって定着される支持構造）を構築する生体材料の使用があります。残念ながら、コラーゲン繊維のみで構成されたスキャフォールドを移植すると、身体はこの材料を再吸収し、良い場合でも線維化に置き換えてしまいます。

これは、例えばヘルニア後の腹壁修復のために「人工瘢痕」を作りたい場合などに有用で、P4HB（ポリ-4-ヒドロキシ酪酸）製のPhasix™メッシュを用いて壁の欠損を塞ぐことができます。

あらゆるインプラントの機能的統合を達成するには、細胞分化を誘導（各細胞に固有のタイプと機能を与える）し、免疫システムがインプラントを拒絶する可能性を排除しなければなりません。これはナノ材料を「キャリア」として生体分子を送達し、このプロセスを駆動するシグナルとして用いることで可能になります。

しかし、もしそれらの生体分子を任意の場所に固定化・誘導できたら？

免疫システムを制御できるのでは？

例えば、ナノ材料と抗体の組み合わせは、がんとの闘いにおける免疫応答の増強に使用できます（抗体修飾酸化鉄ナノ粒子）。

一部のナノ材料自体が、材料に応じて免疫応答に直接的な抑制的または刺激的効果を持っています（貴金属、金属酸化物ナノ粒子、セリウム酸化物、デンドリマーなどが例です）。したがって、インプラント表面をこれらのナノ粒子でコーティングするだけで、実際にインプラントへの免疫システムの攻撃を阻止できます[1]。

Figure 2 免疫応答に直接抑制効果を持つナノ材料 Ngobili Terrika A, Daniele Michael A. Nanoparticles and direct immunosuppression.1 May, 2016 Experimental Biology and Medicine 106 Volume: 241 issue: 10, pages: 1064-1073

インプラント表面へのナノ材料・生体分子の固定化戦略

すでに述べたように、インプラント表面をコーティングしたい主な理由は2つあります：生体適合性を高める（免疫システムの攻撃を防ぐ）か、細胞増殖を刺激・誘導する生体分子を固定する（インプラントを患者自身の組織で置き換える）かです。

成長因子でコーティングされた生分解性スキャフォールドを移植し、時間の経過とともに患者の組織で置き換えるというアイデアは、「PLAからバイオプリントへ：医療分野のためのSFツール」で既に議論したテーマです。こうしたスキャフォールドはまだ研究段階ですが、数年以内に臨床実践に入り始める可能性があります。

異物材料の生体適合性を高めることは、現在業界にとっての必須課題です。人間の身体が移植された生体材料を拒絶しないようにするには、免疫システムを調節するコーティング（ナノ材料または生体分子-ナノ材料複合体）をインプラント表面に「接着」させる必要があります。こうして、免疫細胞がインプラントに近づきすぎたとき、コーティングがその細胞を抑制し、インプラント周囲の炎症反応を防ぎます。

しかし、どうやってそんなコーティングを作るのか？

基本的に、コーティングをインプラントに「接着」させるには非共有結合固定化と共有結合固定化の2つの方法があります。

非共有結合固定化（NCI）

NCIはインプラントをコーティングする最もシンプルで安価な戦略ですが、インプラント材料の親水性に大きく依存します。移植する材料とコーティングの間に引力を生み出す静電気的電荷に基づいています。

この方法では生体分子が速やかに放出されるため、急激だが短命な反応を求める場合に最も適しています。また最大の利点は製造コストが低いことです。

NCIは吸着（500Å〜1mmの微小粒子が表面に付着）または捕捉（多孔質マトリックス内に粒子を捕捉）のいずれかで適用できます[2]。

捕捉では、マトリックスはカラギーナン、部分加水分解コラーゲン（ゼラチン）、アルギン酸、寒天、酢酸セルロース三酢酸エステルなどの水溶性ポリマーで作られます[2, 3]。

しかし、インプラント材料が親水性で生体分子が疎水性（またはその逆）の場合はどうなるでしょう？

一つのシンプルなアイデアが効果的な解決策になります：生体分子のカプセル化！

カプセル化とは、アガロース、ポリ(エチレングリコール)（PEG）、ポリ(N-ビニルピロリドン)（PVP）などのポリマーを用いて、生体分子を包み込むことです。容易に実施できます。

この方法の例として、生体分子を含んだアガロースゲル溶液で満たされたポリサルフォン製スキャフォールドを用いて、神経線維の再生を誘導し炎症を軽減する例があります[4]。

さらに、スキャフォールドがそれほど親水性でない場合、生体分子を固定化する最良の戦略は、水-油-水（二重エマルション）プロセスと呼ばれる別の水相にカプセル化することです。有機溶媒を用いて材料表面への直接吸着を行うこともできます。

ホルモン因子や薬物などの生体分子を固定化するために広く使用される疎水性ポリマーの例として、ポリ(乳酸-グリコール酸)（PLGA）があります。

共有結合固定化（CI）

共有結合固定化は、クロスリンカー剤と呼ばれる化合物を用いて、特定の生体分子とインプラントを構成するポリマーとの間に不可逆的な結合を作り出すものです。これらは物理的条件（熱、光など）に反応し、例えば2つのポリマー鎖を結合させる結合を作るのを助けます（光や熱で閉じる手錠のように、両方のポリマーをリンクさせるものと想像できます）。

この方法は免疫システムへの影響がより緩やかですが、はるかに長持ちします。したがって、長期的で安定した反応を求める場合に好ましいです。

この方法の最大の利点は、層状組織分化を実現できることです。スキャフォールドに異なる生体分子の異なる結合ポイントを設計でき、異なる生体分子濃度の領域を作って、構造的に異なる組織の形成を促進できます。

ベース要素として、コラーゲン-グリコサミノグリカン（CG）スキャフォールドを使用できます（表面にNH2基が普遍的に存在するため、カルボジイミドをクロスリンカーとして使用）。

共有結合固定化の例として、ポリエチレンイミン（PEI）とヘパリンの結合によるシースの作製があり、NiTi合金表面の生体適合性を高める目的で用いられます[5]。

近年重要性を増しているクロスリンク手法の一つに、PEGヒドロゲルを重合させるためのアクリレートの使用があります。アクリレートは紫外線に感官性の官能基です。これらの基をペプチド（または他の成長因子）に添加することで、ポリマー-生体分子ハイブリッドで構成されるスキャフォールドの光重合による合成を誘導できます。このプロセスを3Dプリントと統合してスキャフォールドに構造パターンを与える可能性が、光重合を生体分子固定化の最も関連性の高い方法の一つにしています。

代替的なフォトリソグラフィプロセスも設計されています。例えば、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、ベンゾフェノン（BP）を用いて成長因子をCGスキャフォールドに結合させる手法を用いています[6, 7]。

NH2基に対する普遍性の観点からより選択的なターゲットとなるのはSH基です。スルフィド基ベースのクロスリンカーは、補体（免疫システムの非常に重要な構成要素）が移植片に対して活性化されるのを阻害するコーティングを作るために広く使用されています[8]。

Figure 3 共有結合による酵素固定化の例 Fu J, Reinhold J, Woodbury NW (2011) Peptide-Modified Surfaces for Enzyme Immobilization. PLoS ONE 6(4): e18692.

結論

明らかに、材料表面に生体分子を固定化して免疫応答や分化プロセスを制御するための戦略はいくつも存在します。

固定化方法を選択する前に、使用する材料の特性と達成したい生体分子放出プロファイル曲線を知ることが重要です。最良のアプローチは、免疫システムが静的ではないことを念頭に、異なる結合方法を組み合わせることです。免疫システムは時間とともに動的に変化します。

ナノ材料（またはナノ材料-生体分子複合体）を用いたインプラントコーティングによる生体適合性向上は、現在広く用いられています。しかし、この事実は、カプセル化または結合された生体分子の層状濃度を持つスキャフォールドの製造というケースとは対照的です。この分野における膨大な活動にもかかわらず、今日こうしたスキャフォールドを提供している企業は多くなく、これらの製品を市場に出す前に対処すべき規制上の課題がまだたくさんあります。

つまり、完全な瘢痕なし治癒を実現するにはもう少し待つ必要があります。しかし、その待ちはおそらく長くはないでしょう。この有望な技術は、わずか数年で日常的な医療行為に使用されるようになるかもしれません。