体積筋肉損失の治療のための灌流可能な血管化骨格筋皮弁のバイオプリンティング

2025-02-05 Wed
《Bioprinting Perfusable and Vascularized Skeletal Muscle Flaps for the Treatment of Volumetric Muscle Loss》に関する学術報道背景紹介筋肉組織は人体の細胞の中で重要な位置を占める構造体であり、複雑で高度に血管化された動的な組織です。しかし、外傷や手術によって引き起こされる筋容積欠損症（Volumetric Muscle Loss, VML）は、機能領域の20%以上の筋肉組織が失われることを指し、深刻な機能障害を引き起こすことがよくあります。標準的な治療法としては、健常な供与部位から患者本人の筋肉移植片を損傷部位へ移植する方法が採られますが、この種の手術はしばしば供与部位の疾病（donor-site morbidity）を引き起こし、さらに筋肉組織の供給も非常に限られています。
現在、組織工学（Tissue Engineering, TE）分野では、細胞や細胞外マトリックス（Extracellular Matrix, ECM）を基盤とした手法を採用し、筋組織の再生と機能回復を目指した新たなアプローチが模索されています。しかし、従来の方法（無細胞スキャフォールドや細胞シートなど）は、分層構造と血管化に欠けており、拡散限界を超えた場合、移植片の生存率維持が困難になります。既存の研究では3Dバイオプリンティング（3D Bioprinting）技術により血管化された筋移植片が作られてきましたが、これらの技術は一般的に去細胞化プロセスに長時間を要し（Decellularized ECM Bioinks）、迅速に灌流できる分層的な血管構造を欠く場合が多いです。
本研究が注目される理由は、多モードバイオプリンティング（Multimodal Bioprinting）の新しい方法を提案した点にあります。この方法は、厚みがあり分層構造を持つ血管ネットワークを含む筋肉フラップのみならず、新たに開発された工学的な大型血管（Macrovessel）を備え、これにより筋肉フラップの体内移植、灌流、および組織統合を可能にしました。この研究は、既存技術の拡散における限界に挑むものであり、体積性筋欠損症の臨床治療に向けた新しいソリューションを提供します。
文献出典と研究チーム本論文「Bioprinting Perfusable and Vascularized Skeletal Muscle Flaps for the Treatment of Volumetric Muscle Loss」は、Technion-Israel Institute of Technology（イスラエル工科大学）の生物医学工学科に所属するEliana O. Fischer、Anna Tsukerman、Shulamit Levenbergらの研究チームによって執筆されました。本研究は、2025年に《Advanced Healthcare Materials》誌に発表され、欧州連合のHorizon 2020研究イノベーションプログラム（プロジェクト番号818808）の資金提供を受けています。
研究プロセスの詳細本研究は多モード3Dバイオプリンティング技術を中心に据えた段階的な設計で、体外作製から体内移植に至るまでのプロセスを網羅しています。以下は主要な研究ステップです。
1. バイオインクと細胞の最適化研究対象：研究では人体由来の細胞を使用し、骨格筋細胞（Human Skeletal Muscle Cells, HSKMCs）、内皮細胞（Human Umbilical Vein Endothelial Cells, HUVECs）、および周皮細胞（Pericytes）を組み合わせています。
インクの準備：フィブリンベースのインク（Fibrin-based Bioink）を採用し、主要成分はフィブリノゲン（15 mg/ml）とトロンビン（Thrombin, 10 U/ml）で構成され、高濃度の細胞（35–40 × 10⁶細胞/ml）が含まれています。
初期実験：プラグテスト（Plug Test）を通して、フィブリンインク中の単一培養（HSKMCs）、共培養（HUVECs+Pericytes）、および三重培養（HSKMCs+HUVECs+Pericytes）条件での血管形成能力と筋肉分化特性を評価。蛍光強度と細胞の生存率は、すべてのグループで90%以上を記録しました。
2. 分層血管化構造のバイオプリンティングバイオプリンティングプロセス：
押出型プリンティング法（Extrusion Bioprinting Method）を用い、段階的に骨格筋細胞、内皮細胞、支援細胞をプリントし、最終的に複合組織を形成。
プリントされたフィブリンゲルの周囲に液状ポリ乳酸/ポリグリコール酸（PLLA/PLGA）製の大型血管（マクロ血管）を挿入し、構造の崩壊を防止。
分層血管ネットワークの形成：マクロ血管が分岐した微小血管を介してプリントされた筋肉組織に接続され、機械的安定性を持つ均一分布の血管ネットワークを構築。
3. 血管構造の流体力学シミュレーションと力学テスト流体力学シミュレーション（CFD）：ANSYSソフトウェアを用いて、マクロ血管と微小血管の流速、せん断応力、圧力をシミュレーション。結果はラットの股動脈の自然な流動パラメーターと一致。
有限要素解析（FEA）：マクロ血管の弾性率（40.5 MPa）と安全係数（15）を分析し、生理的圧力下での高い耐久性を確認。
4. 機能的統合体系の構築と体内移植機能検証：同軸縫合技術を用い、マクロ血管とラット股動脈を接続して即時灌流を実現。レーザースペックル解析（Laser-Speckle Analysis）により灌流効率を確認。
対照群の設計：
実験群：灌流されたバイオプリント筋肉フラップ。
陽性対照群：血流を操作しない組織移植片。
陰性対照群：股動脈を結紮。
灌流群の肢血流量は常に65%以上を維持し、結紮群は健康な肢体の流量の50%にとどまりました。
研究結果の詳細1. 血管灌流と機能検証マイクロCTイメージング：灌流後の体内における筋肉フラップは、人工マクロ血管内にコントラスト剤分布が示され、血管の通過性が明確に確認されました。
組織学検査：CD31免疫蛍光染色およびH&E染色により、灌流動物群の移植片で多数の新生血管や豊富な赤血球分布が観察されました。
2. 筋肉分化と組織統合顕微観察：灌流された移植片内で、新たに形成された筋線維は方向性を示し、デスミン（Desmin）やミオシン重鎖（Myosin Heavy Chain）が顕著に発現。
筋核評価：灌流群の移植片で、筋線維1本あたり平均39.2個の筋核を記録。
組織活性指標：灌流群では高いマトリックス密度が確認され、無効な透明質酸の沈着は最小限に抑えられました。
3. 力学特性と灌流性能マクロ血管は生理圧力下で形状および連続性を保持し、微血管領域の流体力学的パラメーターは自然血管に非常に近いことが確認されました。
研究の結論と意義結論：本研究は、移植可能かつ灌流可能な多モード3Dバイオプリンティング血管化筋肉フラップの初開発に成功しました。また、体内の循環系と接続できる能力を実証し、即時灌流と迅速な統合が可能であることを確認しました。灌流は、新生血管生成、筋分化、組織活性を顕著に高めました。
意義：
1. 科学的価値：拡散の限界を克服した効率的かつ分層化された血管ネットワークを持つ筋肉システムの生産は、組織再生医学および臓器工学において重要な意義を持ちます。
2. 応用価値：この手法は、オーダーメイドで大規模な組織修復やVMLの臨床治療のための新たなアプローチを提供します。
ハイライト：
- 革新的な多モードバイオプリンティング戦略。
- 効率的かつ生理的に模倣された血管ネットワーク。
- 短期間で筋分化を達成し、培養期間を短縮。
総括本研究は、VML治療における新たな可能性を描き出し、多モードバイオプリンティングによるマクロ血管灌流技術を組み合わせることで、筋肉欠損を解決する革新的な方法を提案しました。この潜在能力の高い手法は、組織修復分野に画期的な解決策を提供するだけでなく、今後、より複雑な組織や臓器のプリント技術の基盤を形成するものであります。