MITの研究者らは、傷口を塞ぎ出血を止める効果的で生体適合性の接着剤を開発した。
塗布すると、この接着剤は血液で覆われた表面でも15秒以内に強固な密閉層を形成できる。
この物質は、フジツボにヒントを得たものである。フジツボは、濡れて滑りやすい条件下でも岩に付着できる天然の接着剤を持っている。
フジツボが岩に張り付くために使う粘着性物質に着想を得て、MITのエンジニアらは、損傷した組織を塞ぎ、出血を止めることができる、強力で生体適合性の接着剤を開発した。
この新しいペーストは、血液で覆われた表面にも付着することができ、塗布後約15秒以内に強固な密閉層を形成できる。研究者らによると、このような接着剤は、外傷の治療や手術中の出血の制御において、はるかに効果的な方法となりうるという。
「私たちは、湿って動きのあるヒトの組織という困難な環境における接着の問題を解決しようとしています。同時に、この基礎的な知見を、命を救うことができる実際の製品へと応用しようとしています」と、MITの機械工学・土木環境工学の教授であり、本研究の責任著者の一人であるXuanhe Zhao氏は述べている。
ミネソタ州ロチェスターにあるメイヨー・クリニックの心臓麻酔科医・集中治療医であるChristoph Nabzdyk氏も本論文の責任著者であり、本論文は本日、Nature Biomedical Engineeringに掲載された。MIT研究科学者のHyunwoo Yuk氏とポスドクの Jingjing Wu氏が、本研究の筆頭著者である。
自然からのインスピレーション
Zhao氏によると、出血を止める方法を見つけることは、長年の課題であり、いまだ十分に解決されていない。縫合は傷口を塞ぐために一般的に用いられるが、縫合を施す作業には時間がかかり、緊急時には通常、救急隊員が実施することは不可能である。軍人の間では、外傷後の死亡原因の第1位は出血によるものであり、一般市民の間では、外傷後の死亡原因の第2位が出血である。
近年、止血剤とも呼ばれる出血を止めることのできる材料が市販されるようになった。その多くは、血液の自然凝固を助ける凝固因子を含むパッチである。しかし、これらは密閉層を形成するまでに数分を要し、大量に出血している傷に対しては必ずしも効果があるとは限らない。
Zhao氏の研究室は、数年前からこの課題に取り組んできた。2019年、同氏のチームは両面組織テープを開発し、外科手術の切開部を閉じるために使用できることを示した。このテープは、湿った条件下で獲物を捕らえるためにクモが用いる粘着性物質に着想を得たもので、荷電多糖類を含んでおり、表面から水分をほぼ瞬時に吸収し、接着剤が付着できる小さな乾いた部分を作り出す。
新しい組織接着剤についても、研究者らは再び自然界からインスピレーションを得た。今回は、岩、船体、さらにはクジラなどの他の動物に付着する小さな甲殻類であるフジツボに注目した。これらの表面は湿っており、しばしば汚れている。このような条件は、接着を困難にする。
「これが私たちの目に留まったのです」とYuk氏は述べる。「血液が流れ出ている組織を塞ぐには、湿気だけでなく、流出する血液による汚染とも戦わなければならないため、非常に興味深いのです。海洋環境に生息するこの生物が、複雑な出血の問題に対処するために私たちがしなければならないことと、まさに同じことをしていることがわかりました」
研究者らがフジツボの接着剤を分析したところ、独特の組成を持っていることが明らかになった。フジツボが表面に付着するのを助ける粘着性のタンパク質分子は、水や表面にある汚染物質をはじく油の中に懸濁しており、これにより接着性タンパク質が表面にしっかりと付着できる。
MITのチームは、以前に開発した接着剤を応用して、この接着剤を模倣することにした。この粘着性物質は、接着性を与える有機化合物であるNHSエステルを含むポリ（アクリル酸）というポリマーと、材料を強化する糖であるキトサンで構成されている。研究者らは、この材料のシートを凍結させ、微粒子に粉砕し、その後その粒子を医療用グレードのシリコーンオイルに懸濁させた。
得られたペーストを血液で覆われた組織などの湿った表面に塗布すると、オイルが血液やその他に存在しうる物質をはじき、接着性微粒子が架橋して傷口の上に強固な密閉層を形成する。研究者らがラットを用いた試験で示したところ、接着剤を塗布してから、軽く圧力を加えると、15〜30秒以内に接着剤が固まり、出血が止まった。
研究者らによると、2019年に設計された両面テープと比較して、この新しい材料の利点の一つは、ペーストを不規則な形状の傷口に合わせて成形できることであり、一方でテープは外科手術の切開部を塞いだり、医療機器を組織に取り付けたりするのにより適している可能性があるという。「成形可能なペーストは、あらゆる不規則な形状に流れ込み、それを塞ぐことができます」とWu氏は述べる。「これにより、ユーザーはあらゆる種類の不規則な形状の出血傷に合わせて使用する自由度が生まれます」
出血制御の向上
ブタを用いた試験で、Nabzdyk氏とメイヨー・クリニックの同僚らは、この接着剤が肝臓からの出血を迅速に止めることができ、比較対象とした市販の止血剤よりもはるかに速く、より効果的に作用することを明らかにした。ブタに強力な血液凝固阻止剤（ヘパリン）を投与し、血液が自然に凝固しない状態にした場合でも効果が認められた。
研究では、密閉層が数週間にわたって維持され、その下の組織が自ら治癒する時間を与えること、また、現在使用されている止血剤によって生じるものと同様に、この接着剤による炎症はわずかであることが示された。この接着剤は数か月かけて体内でゆっくりと吸収される。また、初回の塗布後に外科医が傷口を修復するために再度処置を行う必要がある場合は、接着剤を溶解する溶液を塗布することで、より早期に除去することもできる。
研究者らは現在、より大きな傷口でこの接着剤を試験する計画を立てている。それにより、この接着剤が外傷の治療に有用であることを実証したいと考えている。また、外科手術中にも有用となりうると考えており、外科手術では出血の制御に多くの時間を費やす必要があることが多い。
「私たちは技術的には多くの複雑な手術を実施できますが、特に重度の出血を迅速に制御する能力については、それほど急速には進歩していません」とNabzdyk氏は述べる。
別の応用可能性として、動脈や中心静脈カテーテル、または体外式膜型人工肺（ECMO）のために血管に挿入されたプラスチック製のチューブを装着している患者に生じる出血を止めることも挙げられる。ECMOでは、機械を用いて患者の血液を体外に送り出し、酸素化する。重篤な心不全または肺不全の患者の治療に用いられる。チューブは数週間から数か月にわたって挿入されたままになることが多く、挿入部位での出血は感染につながるおそれがある。
研究者らは、この接着剤の商業化に向けた取り組みを支援するため、MITのDeshpande Centerから資金提供を受けている。追加の前臨床試験を動物モデルで実施した後に商業化を目指すとしている。本研究はまた、米国国立衛生研究所、米国国立科学財団、MITのInstitute for Soldier Nanotechnologiesを通じた米国陸軍研究局、およびZoll Foundationからも資金提供を受けた。
