薬物送達、組織工学、センシングを目的として体内に埋め込める生体医療機器は、多くの疾患の治療改善に役立つ可能性があります。しかし、こうした機器は免疫系の攻撃を受けやすく、その結果、機能しなくなることがあります。
MITの研究者チームは、こうした免疫系による拒絶反応を抑える方法を考案しました。5月18日付の『Nature Materials』に掲載された研究で、埋め込み型機器の形状が、身体がそれをどれほど許容するかに大きな影響を及ぼすことを明らかにしました。
研究者たちは、小型の機器のほうが免疫系を回避しやすいと予想していましたが、実際には大型の球状機器のほうが機能を維持し、瘢痕組織の蓄積を防ぎやすいことを発見しました。
「インプラントの大きさや形状が免疫応答の誘発にこれほど影響するとは驚きました。素材も依然として重要な要素ですが、瘢痕組織をできるだけ少なくしたいなら、適切な大きさと形状を選ぶ必要があることが分かりました」と、MIT化学工学科のSamuel A. Goldblith准教授であり、MITコッホ統合がん研究所および医工学・科学研究所（IMES）のメンバーで、論文の責任著者でもあるDaniel Andersonは述べています。
研究者たちは、この知見を活用して、膵臓の機能を模倣する埋め込み型機器の開発をさらに進め、糖尿病患者に長期的な治療を提供できるようにしたいと考えています。また、他の多くの疾患の治療に使われる機器にも応用できる可能性があります。
「ここで得られた理解は、科学者がいつか糖尿病を治療するためのより優れたインプラントを作る研究を前進させるだけでなく、疾患の治療や診断を目的とするあらゆる種類のヒトまたは動物用インプラントの設計にも役立つでしょう」と、研究著者であるMITのDavid H. Koch Institute教授、コッホ研究所、IMES、化学工学科のメンバーのRobert Langerは述べています。
論文の筆頭著者は、コッホ研究所の博士研究員であるOmid VeisehとJoshua Doloff、および元コッホ研究所博士研究員で、現在はコーネル大学の助教を務めるMinglin Maです。
細胞の埋め込み
この研究は、人工膵臓の開発に向けた研究者たちの取り組みから生まれました。この取り組みは数年前に始まりました。目標は、膵島細胞をアルギン酸（藻類に天然に含まれる多糖類）または別の素材でできた粒子に封入して送達することです。こうして埋め込まれた細胞は、1型糖尿病で機能しなくなった患者の膵島細胞に取って代わる可能性があります。
通常の膵島細胞と同様に、これらの細胞は血糖値を感知し、糖を吸収するために適切な量のインスリンを分泌して、インスリン注射を不要にするはずです。しかし、埋め込まれた細胞が瘢痕組織に囲まれると、役割を果たせなくなります。
「こうした埋め込み型機器の目的は、細胞を免疫系から保護しながら、生き続けて機能を続けられるようにすることです」とAndersonは述べています。
研究者たちは、直径0.5ミリと1.5ミリの2種類の大きさの球体を試験しました。糖尿病のマウスを用いた試験では、球体を腹腔内に埋め込み、血糖値の変化に正確に応答する能力を追跡しました。小型の球体を用いた機器は瘢痕組織に完全に覆われ、約1カ月後に機能しなくなりました。一方、大型の球体は拒絶されず、6カ月以上にわたって機能し続けました。
大型の球体は、ヒト以外の霊長類を用いた試験でも免疫応答を回避しました。皮下に埋め込まれた小型の球体はわずか2週間で瘢痕組織に覆われましたが、大型の球体は最長4週間にわたって周囲が明瞭な状態を保ちました。「直径の大きな球体では、すべての表面における免疫細胞の数が1桁以上少ないことを観察しました」とDoloffは述べています。
「最初にこのデータを得たとき、直感に反する結果でした」とAndersonは述べています。「小さなビーズなら反応を引き起こしにくいと考える理由はありましたが、実際にはそうではありませんでした。」
この効果はアルギン酸だけでなく、ステンレス鋼、ガラス、ポリスチレン、そしてポリエステルの一種であるポリカプロラクトンで作られた球体でも確認されました。
「素材の組成にかかわらず、この効果が持続すると分かりました。そのため、より幅広く応用できることが分かり、研究はいっそう興味深いものになりました」とVeisehは述べています。
「印象的なのは、非常に体系的な研究であることです」と、研究に参加していないハーバード大学幹細胞・再生生物学科長のDouglas Meltonは述べています。「大きさ、形状、素材を非常に体系的な方法で比較しており、実に綿密です。直径1.5ミリ以上の球体を作るべきだという、明快で興味深い結論に至っています。」
大きさと形状
研究者たちは、この発見が、薬物送達用担体やグルコース・インスリン用センサーなど、他の種類の埋め込み型機器にも応用でき、糖尿病治療の改善にも役立つ可能性があると考えています。粒子の大きさと形状を最適化することは、糖尿病以外の疾患を治療するための別種の埋め込み型細胞を開発する科学者たちの指針にもなり得ます。
「こうした機器を作ろうとする場合、その大きさや形状について慎重に考えることが重要かもしれません」とAndersonは述べています。
この研究は、若年性糖尿病研究財団、Leona M. and Harry B. Helmsley Charitable Trust Foundation、米国国立衛生研究所、米国国立がん研究所によるコッホ研究所支援助成金、Tayebati Family Foundationの資金提供を受けました。Veisehは米国国防総省からも支援を受けました。
この記事は、 MIT Newsとの共同制作により公開されています。公開は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味するものではありません。
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著者：Anne TraftonはMIT Newsに記事を執筆しています。
画像：北京大学第三病院（北京）に展示された、3Dプリント製の人工軸を埋め込んだ脊椎モデル。REUTERS/Jason Lee