【研究分野】知能機械学・機械システム

【研究領域課題番号】15H05761 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

Cell Exercise / 細胞シート / 平滑筋細胞 / 周期的静水圧印加 / 細胞培養 / 人工血管 / 周期加圧 / 動脈移植 / メカトロニクス / 細胞組織力学 / 再生医療 / 圧力印加 / 細胞組織 / 細胞組織工学 / 力学

【研究成果の概要】

ヒトは筋トレによって筋肉を増強することができる。これと同じことは細胞レベルでも期待できる。ヒトの臍帯動脈平滑筋細胞をシリンジに入れ、低圧側110-高圧側180kPaかつ周波数0.002Hzの条件で周期的静水圧印加を行ったところ、細胞播種後３０分で大気圧培養と比較して、細胞サイズに統計的有意差が見られた。この条件を基に、ラットの血管平滑筋細胞を用いて同様の工程で10層のシートを作製し、ラットに移植したところ、人工血管として機能することが明らかになった。また人工血管の最大破断応力は、ラットの動脈のそれとほぼ同等なレベルになった。平滑筋細胞だけでなく、心筋細胞に対しても興味深い違いが認めれた。

【研究の社会的意義】

心疾患は主要な死因であり、その中でも心筋梗塞や狭心症といった冠動脈疾患は大部分を占める。心筋梗塞の治療法として冠動脈バイパス手術が施行されているが、特に細い血管において、臨床で利用可能な小口径の人工血管は存在せず、そのため内胸動脈や大腿静脈など自己血管を使用しているのが現状である。近年Tissue Engineering技術により血管の再生を試みる研究が数多くなされているが、現在のところ臨床応用可能な理想的な人工血管は開発されていない。本研究では、ヒト臍帯動脈平滑筋細胞などヒト由来細胞を用いて動脈用血管グラフトを作製することを究極のゴールにしているという点で、社会的意義はきわめて大きい。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2015-05-29 - 2019-03-31

【配分額】148,330千円 (直接経費: 114,100千円、間接経費: 34,230千円)

【研究分野】医用生体工学・生体材料学

【研究領域課題番号】14704077 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

人工血管 / 生体内分解性プラスチック / 力学的性質 / 再生医療

【研究成果の概要】

光硬化性カプロラクトン-ラクチド共重合体のマクロモノマーの分子量,分子構造を変化させた時のポリマーの力学的な性質の変化を明らかにすることを本研究の目的とした.
マクロモノマーの分子量を2000,5000,10000(カプロラクトン-ラクチド比を50:50)に調整し,光硬化させた樹脂の引っ張り試験によるヤング率を計測したところ,分子量の増加に伴いヤング率,破断強度の減少が認められた.さらに,分子量5000でカプロラクトン-ラクチド比が5:95,25:75,50:50となるようにマクロモノマーを合成し,成形したところ,カプロラクトン-ラクチド比の違いが破断強度の有意な変化を起こしたのに対し,ヤング率に及ぼす影響は極めて少ないことがわかった.
従って,光硬化性カプロラクトン-ラクチド共重合体はその力学的な性質を任意のものに変えることができることから,再生血管用の生体内分解性プラスチックに求められる血管と同様の力学的な特性を有する材料という観点で,本研究で開発した材料は再生血管用の材料として有用なものになりうることがわかった.本材料の細胞適合性も併せて検討したところ,細胞接着・増殖において著しく培養用シャーレに劣ることはないことが確かめられた.また,マクロモノマーの分子量を制御することによって,生体内での分解速度を調整できることもわかった.

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2002 - 2004

【配分額】28,340千円 (直接経費: 21,800千円、間接経費: 6,540千円)

【研究分野】医用生体工学・生体材料学

【研究領域課題番号】13480289 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

人工血管 / 細胞 / 再生医療 / 組織再生 / 組織再構築 / 生分解性材料

【研究成果の概要】

血管内径が4mm以下の小口径領域の人工血管の開発が強く期待されているにも関わらず,現在臨床に耐えるものは開発されていない.従来の生分解性材料と細胞から構成される人工血管のモデルでは,生分解性の材料に血管平滑筋細胞を播種して血管内腔面が平滑になった後に血管内皮細胞を播種するものであったが,血管平滑筋細胞が平滑な内腔面を形成するまでに長い時間が費やされていた.さらに播種した細胞の材料への補足率も低いという問題点があった.一方,コラーゲンゲルのみから構成される人工血管のモデルでは脆弱であり,動脈圧に耐えることができないという問題があった.そこで本研究では生分解性材料であるポリ乳酸のスポンジに血管平滑筋細胞をゲル包埋した新しいタイプの人工血管モデルを開発することを目的とした.
はじめに,ポリL乳酸を用いて,内径が5mm,外径が7mm径を有するポーラスな人工血管を作製した.次に,0.375%のコラーゲンゲル溶液を4℃の条件下で作製し,正常ヒト血管平滑細胞と混ぜ合わせた.血管平滑筋細胞-ゲル懸濁液をポリ乳酸で作製した人工血管に陰圧の条件下で約30分間添加した後に37度の条件下に1分おくことで,ポリ乳酸製の筒状構造物の中に細胞を完全に補足させることに成功した.作製した人工血管を培養液に入れたところ,人工血管の作製直後から培養液に沈むことがわかった.一方,通常の培養条件である,培養液に細胞を懸濁して筒状3次元スポンジに細胞を播種したものでは,3次元スポンジの中から空気を排除することが難しく,培養液中で浮遊する(沈降しない)ことがわかった.作製した人工血管の力学的な性質を調べるために,作製直後の人工血管の引張試験を行ったところ,0.15Mpa(1117mmHg)の圧力に耐え得る人工血管の迅速形成が可能であることがわかった.作製した人工血管を静置培養したところ,培養日数の増加に伴い,人工血管の破断強度が低下する傾向が認めらたが,0.05MPA(380mmHg)あたりの値に漸近することがわかった.生体内に存在する血圧は最大で160mmHgであると考えられるので,本研究で開発した人工血管は生体内に移植しても破裂することなく,充分に実用に耐え得るものであることが示唆された.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2001 - 2003

【配分額】12,900千円 (直接経費: 12,900千円)