冷凍することで永遠の命に近づいているのでしょうか？新しい技術により冷凍臓器の保存期間が延長される可能性がある

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「冷凍技術」を頼りに、何千年もの時を旅して未来で目覚めるというのは、SF小説ではよくある筋書きだ。生物全体を凍結して蘇生させるという実現はまだ遠い道のりですが、臓器の凍結に関する技術的進歩は人々に多くの驚きをもたらしています。

最近、学術誌「ネイチャー・コミュニケーションズ」に掲載された研究によると、ミネソタ大学の研究者らがラットの腎臓の長期凍結と解凍に成功し、この凍結腎臓は移植後に腎機能を完全に回復できることが示された。哺乳類の臓器が凍結・解凍された後も移植され、生命を維持できることを科学者が確認したのは今回が初めてだ。これは臓器凍結のための新しい技術的解決策を提案するものです。

臓器の保存期間が短い

臓器移植は、人間の臓器不全後の最後の手段です。毎年、世界中で何十万件もの臓器移植手術が行われ、何十万人もの命が救われています。中国では毎年30万人が生死の境をさまよいながら臓器移植を待っているが、臓器移植によって新たな命を与えられるのはそのうちの1万人強に過ぎない。

現在、我が国では肝臓、腎臓、心臓、肺、膵臓、小腸を含む 6 種類の臓器の移植手術を行うことができます。その中で、腎臓移植と肝臓移植の外科技術はすでに非常に成熟しています。しかし、臓器移植手術は広く普及していません。主な理由の一つは、ドナー臓器の「保存期間」が短すぎることだ。

「体外での臓器保存は臓器移植手術の必須ステップであり、臓器の凍結と解凍は臓器保存期間を延長するための重要な技術です。この分野でのブレークスルーは、臓器移植の現在の臨床システムを再構築する可能性があります。」南開大学第一付属中央病院臓器移植センターの主治医であり、南開大学移植医学研究所のプロジェクトリーダーであるイエチ・ニアン医師はこう語った。

現在、体外における伝統的な臓器保存技術は主に低温静的冷蔵保存です。この保存技術の「保存期間」は確かに少し短いです。例えば、心臓は4時間、肝臓は12時間、腎臓は約24時間保存できます。膵臓や小腸などの消化器官は、残留細菌、消化酵素、組織常在リンパ球が存在するため、保存がより難しく、保存期間も短くなります。

「そのため、現在の臓器移植手術は一般的に緊急手術であり、医師による患者の治療には空間と時間という点で大きな制限がある。」 Nian Yeqi氏は例を挙げた。患者ができるだけ早く手術を受けられるように、時間のかかる移動により体外での臓器保存期間が長引いたり、手術に最適な時期を逃したり、さらには手術の機会を失ったりすることを避けるために、適合する患者を探す際には地理的な考慮が考慮されています。同時に、医師が手術の準備や検査に使える時間が短縮され、基本的な検査や準備しか行えなくなります。術前評価が不十分となり、術前治療が不適切となるリスクがあります。

この目的のために、研究者たちは、体外臓器を「短期保存」から「長期保存」へと変換するための新しい技術を研究してきました。 「簡単に言えば、体外臓器の『長期保存』技術は、主に『凍結』と『解凍』の2つのステップから成ります。」Nian Yeqi氏は、現在、臓器の凍結と解凍には、主に臓器の冷凍剤の準備、臓器の冷凍剤の灌流、臓器の冷却、臓器の持続的な冷凍保存、臓器の解凍、臓器の洗浄のステップが含まれていると説明した。凍結技術で最も一般的に使用される方法は「ガラス化」と呼ばれ、高濃度の凍結保護剤とより速い凍結速度を使用して、超低温環境下で臓器細胞に氷結晶が形成されるのを防ぎ、氷結晶が細胞を傷つけ、最終的に臓器に損傷を与えるのを防ぎます。再加温プロセス中は、臓器が均等に温まるように速度を制御する必要もあります。

最近では、低体温機械的灌流や常温機械的灌流などの技術の発達により、臓器の体外保存期間がある程度延長され、患者と医師に余裕が生まれました。しかし、現在の技術は、一般的に臓器の体外保存時間を数時間から数週間に延長することに限られており（数週間は前臨床試験に限られます）、臓器の体外保存は依然として「短期保存」の範囲内にあります。

臓器の凍結保存は細胞の凍結保存よりもはるかに難しい

近年、医療研究や遺伝子・細胞技術・製品の応用が急速に発展し、凍結保存された幹細胞、卵子、精子、胚に関する情報に人々が接する機会が増えています。細胞は何年も凍結された後でも必要なときに使用できるし、分離された臓器も細胞でできているのに、なぜ同じ技術を使って臓器を保存できないのかと、多くの人が疑問に思うでしょう。

天津幹細胞開発応用協会の李相国副会長は、現在の幹細胞の冷凍保存技術は、細胞を極低温環境で保存することで細胞の代謝を抑え、休眠状態にすることで長期保存を実現する技術であると紹介した。具体的な方法は、勾配冷却法を用いて、プログラム制御による冷却後、調製した細胞を-196℃の液体窒素タンクに移し、長期保存する方法です。

「この技術は、胚細胞を含むさまざまな種類の細胞を保存するために使用できます。」李相国氏は、理論的には細胞凍結によって永久保存が可能だと述べた。医師と患者は、治療、研究、再生医療の用途のために凍結保存された細胞に容易にアクセスできます。

ただし、幹細胞や胚などは細胞の凍結・解凍の範疇に入ります。細胞を凍結する技術を臓器の凍結に使用した場合、これは明らかに単純な量的変化のプロセスではなく、臓器全体の大きさの組織に適用する場合はさらに困難に直面するでしょう。

「まず、凍結防止剤は大きな組織に均一に浸透することができません。臓器が大きいと、中心部が凝固するのにかかる時間も長くなり、氷の結晶の形成につながります。」 Nian Yeqi氏はまた、細胞凍結に使用する極低温剤は細胞毒性がないことのみでよいが、臓器凍結に使用する極低温剤は臓器に対する毒性についても特に考慮する必要があると紹介した。さらに厄介なのは、各臓器が複数の種類の細胞で構成されており、それぞれが異なる特性と機能を持ち、同じ極低温物質が異なる種類の細胞に異なる毒性効果を及ぼす可能性があることです。どの種類の細胞が損傷しても、臓器の機能に影響を及ぼします。

第二に、単一細胞または約 100 個の細胞しかない小さな胚の凍結状態は評価しやすく、解凍プロセス中の細胞損傷も評価しやすくなります。臓器は一体化した組織構造であるため、再加温プロセス中に均一に加熱される必要があります。不均一な加熱は臓器の異なる組織構造間の膨張力または収縮力につながり、臓器に物理的な損傷を引き起こす可能性があります。

「現在、『ガラス化』は臓器の『凍結』の問題を部分的にしか解決していないが、凍結中の氷結晶の形成、凍結および解凍中の温度制御、解凍中の組織と臓器の全体的な均一な解凍の必要性、虚血再灌流障害などの問題が依然として存在している」とNian Yeqi氏は述べた。

あるいは臨床臓器移植制度を再構築することになるだろう

『ネイ​​チャー・コミュニケーションズ』に掲載された研究は、より大きな臓器の再加温の問題を解決した。研究者らは「ナノ再加温」技術を開発した。凍結プロセス中に、臓器を灌流する際に酸化鉄ナノ粒子を保護剤に加えるのだ。再加温の際には、凍結した臓器を高周波コイルの中に入れます。電流によって誘導磁場が発生し、臓器内の鉄粒子を通じて熱が発生します。保護剤は毛細血管を通じて臓器内に均一に浸透します。高周波電界は減衰することなく組織に浸透するため、加熱速度が保証され、加熱も均一になります。

「ミネソタ大学の研究チームの『ナノ再加温』技術には、元の保護剤のプロピレングリコールの代わりにエチレングリコールを使用して、冷媒の毒性を軽減する新しい冷媒VMPを開発することも含まれています。」 Nian Yeqi氏は、この研究により、100日間保存されたラットの腎臓は解凍後もまだ機能を維持できること、そして腎臓移植を受けたラットは30日間の研究期間を無事に生き延びたことが示されたと紹介した。

臓器の「ガラス化」技術に続く再加温の問題を解決するのは困難であるため、一部の科学者はこれらの困難を回避する新しい方法を模索し始めている。

ハーバード大学のテイラー教授のチームは、自然界のホッキョクガエルの凍結と解凍の原理に基づいて肝臓を保護する合成糖を設計し、人間の肝臓をマイナス4℃で27時間保存した。さらに、合成糖と生物学的氷床コアSnomaxを組み合わせることで、チームは組織を-15℃で5日間保存することができ、解凍後の組織損傷は対照群よりも軽度でした。

さらに、一部の科学者は「凍結」プロセスに取り組んでいます。例えば、カリフォルニア大学バークレー校のチームは、臓器に損傷を与えることなく高圧で凍結し、氷結晶の形成を制限しました。研究チームはこの戦略を用いて、豚の心臓を-4℃で21時間保存し、その後健康な豚に移植した。移植後、心臓はスムーズに鼓動しました。さらに、この戦略では大量の凍結保護剤を使用する必要がないため、臓器への毒性副作用が軽減されます。

臓器と凍結解凍技術の発展が将来の医療に与える影響について、年葉奇氏はこれが現在の臨床臓器移植システムを再構築するだろうと述べた。 「この技術が成熟し、臨床応用されれば、臓器移植はもはや単なる緊急手術ではなくなり、術前の準備にもっと時間をかけられるようになる。割り当てシステムも臓器を割り当て、最適な組織適合を達成するための時間が増える。同時に、遠隔地の患者はより多くの移植の機会を得ることができるようになる。心臓、肺、膵臓など、現在は利用率が低い臓器の保存と輸送も改善されるだろう。」 Nian Yeqi は期待しながら言った。