成果報告書詳細
管理番号20100000001980
タイトル平成18年度-平成21年度成果報告書 再生医療評価研究開発事業 三次元複合臓器構造体研究開発
公開日2010/11/10
報告書年度2006 - 2009
委託先名国立大学法人東京大学
プロジェクト番号P06043
部署名バイオテクノロジー・医療技術開発部
和文要約大きな体積と複雑な構造を有し、生体類似組織を構築することを目的として、運動器、体表臓器の3次元複合臓器構造体を開発した。
骨では、間葉系骨髄細胞をテトラポッド型人工骨上で培養して骨構造体を作製した。大容量の荷重部骨構造体を可能にするため、メッシュ状の表面をもつチタン外殻を作製した。チタン外殻にテトラポッド型人工骨を充填し、イヌ尺骨に欠損部を作製して埋植し、有効性と安全性を確認した。大腿骨に関しても検討を行った。
関節においては、軟骨細胞由来の軟骨エレメント、骨、血管誘導素材を配した骨エレメントを複合・連結させることにより、顎関節および膝関節に相当する関節3次元複合構造体を構築した。サイズや構造の目標と照らし合わせ、動物実験でその有用性を実証した。
体表臓器では、表皮・真皮・脂肪層を含む三次元体表臓器を作製した。弾性線維再生誘導新規基材を開発し、弾性線維含有構造体を開発した。また、皮膚付属器である皮脂腺様細胞を分化誘導し、動物実験において皮脂腺細胞としての生着、増殖を確認した。また、皮膚幹細胞を担体とともに実験動物に移植し、移植後の組織において毛包を再生誘導した。また、軟骨細胞およびハイドロゲル・多孔体複合足場素材で鼻のサイズと形状(L字型)を示す皮下軟骨構造体を作製し、再生皮膚との複合化を実現し、耳や鼻を想定した複雑な凹凸を有する体表臓器3次元複合臓器を構築した。
テトラポッド型人工骨や皮下軟骨構造体は、前臨床試験を終えて臨床研究の実施準備段階である。平成22年12月ごろに臨床研究開始予定である。関節軟骨、皮膚などの構造体も、今後安全性を実証し、臨床研究を開始する予定である。
要素技術の新規素材に関しては、DANCEタンパクの三次元足場材料への複合化と徐放化を行い、弾性線維形成能を確認できた。無機素材に関しては、β-TCPを中心に開発した。六角柱からなる再生エレメントを接合することで自由局面を構築する方法と、CT画像を3次元モデリングし所望形状を作製する方法を確立した。さらに、高分子複合多孔質材料、細胞の漏出を低減させる複合多孔質材料、高い連通性をもつ階層構造多孔質材料を開発した。さらに、小さな再生エレメントを集合させるための接着剤を開発した。
再生エレメントに関しては、PEGを用いたスフェロイドパターニング技術を開発し、軟骨大型化のためのスフェロイド設計指針を確定し、細胞外マトリクスの産生能を長期間維持させた。これらのスフェロイドにおいて、体積にして約10倍という大型化を達成し、培養基板(8 平方cm)当り約1ccの組織を生産することが可能となった。
実際的な移植可能な材形へと展開するためのマトリックス材料の設計と合成を行い、動物実験において移植する構造体として十分機能することを示した。
複合化に関しては、多量の再生エレメントを形成させる動的培養技術を構築し、3次元的に集積させることにより関節軟骨様組織を再構築する技術を開発した。そして周期的な圧縮応力を負荷するシステムを構築した。
栄養血管誘網導技術では、血管新生誘導材料を開発し、再生骨構造体に適応することにより、構造体内部への栄養血管網誘導と骨再生の促進に実現した。また、再生皮下軟骨構造体に応用して周囲に肉芽組織様のカプセルを形成することにより、再生軟骨の形状維持に有意な効果を得た。
評価技術に関しては3次元複合臓器構造体に対して様々な有効性評価手法で解析を行った。培養された軟骨および骨・軟骨複合体の再生組織の計測評価を実現した。
英文要約We developed three-dimensional complex organ structures of locomotion organs (joints and bones) or surface organs (skin and subcutaneous tissues)
For bone, to screen for the best cell carrier, some parameters were evaluated. As a result, the tetrapod-shaped bone filler was chosen. Mesenchymal stem cells (MSCs) were incubated in the osteogenic medium containing the tetrapod-shaped bone fillers. Titanium cage on their mesh-like surface was manufactured by rapid prototyping. The titanium artificial bones packing bone fillers were implanted in the canine ulnar defects, and their efficacy and safety were confirmed using histological analysis.
Regarding the joints, we combined cartilage bone elements, to construct cartilage-bone elements and connected them, constructing the organ structures that corresponded to jaw and knee joints.
On surface organs, new artificial skins having elastic fibers were regenerated by fibroblasts seeded in scaffold containing DANCE. They also contain sebaceous-gland-like tissues induced from human skin-derived-precursor cells. We additionally constructed regenerative cartilage in actual nose size and shape (L-shape). We realized the conjugation of the regenerative cartilage and the new artifical skin, to construct body surface complex organ structures.
Elemental technologies including the material sciences, formation of tissue elements, three dimensional construction, vascularization, and noninvasive evaluation, were also employed. DANCE protein and biodegradable 3-D scaffold complex could regenerate elastic fiber tissue in vitro and in vivo. We also studied scaffold for articular subchondral bone of beta-TCP. In addition, some types of porous scaffolds and biomaterials were developed by using biodegradable synthetic polymers, naturally-derived polymers and bioactive molecules.
For formation of tissue elements, spheroid is constructed on a micropatterned substrate coated with polyethylene glycol (PEG). This spheroid formation induces the spontaneous production of extracellular matrix (ECM) protein and concomitant formation of native cartilage-like tissue. With photocrosslinkable gels and microfluidics, more complex tissue sections for therapeutic applications can be fabricated.
In three-dimensional construction, we developed a dynamic culture method under dynamic rotational medium flow. We fabricated three-dimensional cartilage-like tissue by accumulating those tissue elements. We also developed a dynamic compressive stress loading system to promote tissue regeneration.
To construct such a vascular system, we created several scaffold materials that induce neovascular growth from the recipient bed into the materials.
Every organ complex structure should be evaluated for safety and usefulness. We developed minimally or non-invasive measurement technologies for structural and/or functional analysis of regenerated tissues.
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