再生医療における大きな進歩！人間の臓器を修復できるスーパーハイドロゲルが発明される

もしも人間の臓器が車の部品のように修復できるようになったら、私たちは病気、老化、さらには死という究極の運命を克服できるのでしょうか?

最近、マギル大学のリュック・モンゴー教授とリー・ジャンユ教授のチームが、臓器修復用の新しい注射可能なハイドロゲルを開発しました。このハイドロゲルは多孔質二重ネットワークを含んでいるため、PDN（多孔質二重ネットワーク）と呼ばれています。 PDN ハイドロゲルは体内に注入されると安定した多孔質構造を形成し、その上で生きた細胞が成長して人間の損傷した臓器を修復できるようになります。

人間の臓器が持つ機械的運動エネルギーは、再生医療やインプラントにとって大きな課題となります。その極端な例が声帯であり、これはおそらく人体の中で最も機械的に強力な器官です。現在、既存のハイドロゲルインプラントは動的負荷により破損する傾向があるため、声帯損傷の患者はハイドロゲルを繰り返し注入する必要があります。鼓動する心臓についても同様です。

この新しいハイドロゲルの強度を検証するために、マギル大学のチームは、このハイドロゲルに厳しい「究極の挑戦」を課しました。驚くべきことに、PDN ハイドロゲルは、1 秒あたり 120 回の速度で 600 万回以上振動した後も無傷のままでしたが、同様の製品であれば圧力によって粉々に引き裂かれていたはずです。一方、PDN ハイドロゲルは、60 mm を超える寸法の臓器サイズの足場内で細胞の生存をサポートできます。これは、現在までに文献で報告されている最大値です。

マギル大学はニュースリリースで、PDNハイドロゲルは「化学、物理学、生物学、工学の最先端の知識を組み合わせ、心臓、筋肉、声帯の重大な損傷を修復するものであり、再生医療の大きな進歩を示すものである」と述べた。関連論文「極度の生体力学的刺激に耐える注入可能で、孔を形成し、灌流可能な二重ネットワークハイドロゲル」が、11月22日にAdvanced Science誌に掲載されました。

このバイオハイドロゲルの原理とその背景をより深く理解するために、Academic Headlines English は論文の著者の一人であるマギル大学機械工学博士課程の学生 Guangyu Bao 氏にインタビューしました。 2020年、Bao Guangyu氏は筆頭著者として、英国王立化学協会の雑誌「Materials Horizo​​ns」に「多孔質粘弾性ハイドロゲルのトリガー型微細孔形成バイオプリンティング」と題する論文を発表し、バイオプリンティング技術を使用して製造された細胞サイズの孔を持つ高度に相互接続された多孔質ハイドロゲルの詳細を説明した。人間の臓器を「修復」する研究開発の道において、鮑光宇氏と李建宇教授チームの他の科学者たちは絶えず進歩を遂げてきた。

PDN ハイドロゲルの模式図 |出典：マギル大学

インタビューQ&A

学術的見出し: ハイドロゲルは再生医療において常に注目の話題となっています。このハイドロゲルと他の類似製品との主な違いは何ですか?

鮑光宇：人体の組織が機能するには血液循環と機械的強度が必要です。ハイドロゲルは、大量の水を含むポリマー鎖のネットワークです。これらは、損傷した組織を修復するための注入型インプラントとしてよく使用されます。しかし、既存の注射可能なハイドロゲルは、孔が非常に小さく（約 10 ナノメートル）、強靭性と強度に欠けています（ゼリーや豆腐のように）。これらは臓器サイズのインプラントの製造には適しておらず、心臓、筋肉、声帯などの機械的に活動する組織の動的環境では生存できません。

私たちが発明したハイドロゲルは注射可能で細胞に優しいものです。これらは、細孔サイズと機械的強度の両方において他のハイドロゲルとは異なります。当社のハイドロゲルの細孔サイズは、標準的なハイドロゲルの約 1,000 倍の大きさです。機械的靭性は標準的なハイドロゲルの 5 ～ 40 倍です。声帯のような環境における最も極端な機械的負荷にも破裂することなく耐えることができ、また、細胞の成長をサポートし、移植後の治療結果を改善します。初めて、注入性、細胞適合性、多孔性、および靭性を単一のハイドロゲル システムに統合しました。

学術的見出し: このハイドロゲルはどのような分野で重要な用途を持つと思いますか?最も重要なのは、ハイドロゲルの開発に興味を持ったきっかけは何ですか?

Bao Guangyu: 私たちのハイドロゲルは、機械的な活動を伴う軟組織の修復に役立つと信じています。寿命が長くなり、より良い治療効果が得られる可能性があります。このハイドロゲルは、マイクロ流体デバイスにおける 3D 細胞培養などの科学研究にも貢献する可能性があります (注を参照)。他のハイドロゲル システムとは異なり、当社のハイドロゲルは、（流体）チャネルを詰まらせることなくマイクロ流体デバイスに注入できます。

実際、このハイドロゲルは私たちの研究室の問題を解決するために設計されました。私たちの研究室では、約10年にわたり、声帯修復用の生体材料の設計に取り組んできました。私たちは、話すときに人間の声帯が高周波振動する機械的環境を模倣する声帯バイオリアクターと呼ばれる機械を発明しました。私たちはバイオリアクターで多くの既存のハイドロゲルをテストしました。これらは、装置を詰まらせて細胞培養培地が通過できなくなったり、機械的に振動した後に粉々に砕け散ったりした。そのとき、この問題を解決するには多孔質で強靭なハイドロゲルが必要であることに気づき、この研究の機会が生まれました。

学術的見出し: 科学研究と開発に情熱を注ぐ理由は何ですか?

Bao Guangyu: 私の研究開発に対する情熱は、材料科学、力学、化学、生物学の知識を活用して、既存のヘルスケアの問題にエンジニアリングソリューションを適用することです。幸運なことに、私は Luc Mongeau 教授と Jianyu Li 教授という非常に知識が豊富で協力的な指導者に恵まれました。彼らは常に、私たちが世界で最も困難な問題に集中することを奨励し、独自の研究の方向性を探求する自由を与えてくれます。私の同僚は協力して働き、勤勉かつ集中しています。私たちはお互いを補い合い、一緒にブレインストーミングをするのが大好きです。私たちの研究室のフレンドリーでダイナミックな環境が大好きです。

PDN ハイドロゲルと標準ハイドロゲルの実験比較 |出典：マギル大学

Bao Guangyu 氏の指導者である Li Jianyu 教授にとって、PDN ハイドロゲルは、バイオマテリアルのイノベーション分野における彼のチームの最新の貢献です。 2019年、李建宇氏はバイオマテリアル分野での一連の功績により、2019 MITテクノロジーレビュー「35歳未満の35人のイノベーター」の中国部門受賞者に選出されました。当時彼はまだ31歳でした。

MITテクノロジーレビューのインタビューで、Li Jianyu氏は、化学的性質が人間の組織に近いだけでなく、機械的性質と生物学的活性においても健康な人間の組織に近い生体模倣バイオマテリアルをさらに活用したいと述べた。同氏は、この新しい生体材料を「ゼリーのようなもの」と表現し、水分含有量は人体組織に匹敵し、機械的特性は人体組織と同等かそれ以上だと述べた。

[著者注]

マイクロ流体工学は、マイクロスケールの流体、特にサブミクロン構造を正確に制御および操作できる技術です。これは、Lab-on-a-Chip またはマイクロ流体チップ技術とも呼ばれます。生物学、化学、医学の分析プロセスにおけるサンプルの準備、反応、分離、検出などの基本的な操作ユニットをミクロンスケールのチップに統合し、分析プロセス全体を自動的に完了します。

参考文献:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202102627
https://www.mcgill.ca/newsroom/channels/news/synthetic-tissue-can-repair-hearts-muscles-and-vocal-cords-335206
https://zhuanlan.zhihu.com/p/103910888

インタビュー記者：劉芳

編集者: HS

レイアウト: 李雪偉

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