Evaluation of Densified Collagen Tubes as an Interposition Graft in Abdominal Aorta

人間の体は、生命を維持する血液をあらゆる隅々まで運ぶパイプのネットワークである。大動脈のような主要なパイプが損傷したり閉塞したりした場合、外科医はしばしば新しいチューブでその部分を置き換える必要がある。数十年にわたり、最良の選択肢は拡張ポリテトラフルオロエチレンや織物ポリエステルといった合成材料であった。これらの人工グラフトは血圧に耐えられるものの、硬く、生きた組織のように振る舞うことはない。体内での再構築（リモデリング）ができないため時間の経過とともに失敗することが多く、また流れを遮断して危険な血栓を作ることも頻繁にある。科学者たちは長い間、より優れた代替品、すなわち体が受け入れ、修復し、最終的には自身のものとして統合できる自然な生物学的材料で作られたグラフトを切望してきた。課題は、心拍による力に耐えうる強さを持ちつつも、血管と共に動ける柔軟性を備えた生物学的なチューブを作ることであり、同時に内部への血液の付着と危険な血栓形成を防ぐことにある。

ケンブリッジ大学の研究者たちは、ヒトの皮膚や結合組織に含まれる主要な構造タンパク質であるコラーゲンから血管グラフトを作成することで、この問題の解決に向けた重要な一歩を踏み出した。プレプリントとして発表された研究の中で、チームは柔らかいゼリー状のコラーゲンゲルを、ラットの腹部大動脈の部分を置換できる強靭で中空のチューブに変えることができることを示した。彼らは2つの異なるバージョンのチューブをテストした。第一のバージョンは、強度を高めるために化学処理を施した厚壁のチューブであった。このバージョンは内表面に新しい組織の成長を許容したが、天然の動脈と比較して硬すぎたため、数ヶ月後に血管を閉鎖させる血栓を引き起こし、最終的に失敗した。第二のバージョンは画期的なものであった。これは非常に薄い、未処理のチューブであり、天然の動脈の柔軟性に一致するものだった。混合物にヒアルロン酸と呼ばれる一般的な物質を加えることで、チームはコラーゲン繊維をより密接にパッキングさせ、強さと柔軟性の両方を兼ね備えたチューブを作り上げた。これら薄壁のチューブは最大17週間、開通状態を維持し機能し続け、身体が新しい内層を成長させ、グラフトを周囲の組織へと統合することを可能にした。

これらのチューブ作成への道のりは、単純な観察から始まった：コラーゲンゲルは本来、血管として機能するにはあまりにも弱いということである。これを修正するために、チームは「高密度化」と呼ばれるプロセスを用いた。水に浸かったスポンジを想像してみてほしい。もし中の水を絞り出せば、スポンジはより緻密で強固になる。研究者たちはこの原理をコラーゲンゲルに適用したが、手で絞り出す代わりに、重力と特殊な漏斗を使用して、制御された方法でゲルから水を引き抜いた。水が抜けていくにつれ、コラーゲン繊維が引き寄せられ整列し、柔らかいゲルを緻密で耐久性のある素材へと変貌させた。最初の実験セットでは、人間サイズへのスケールアップが容易な漏斗法を用いて、厚壁のチューブを作成した。その後、彼らはゲニピンという天然染料を用いて化学架橋を行い、安定させるとともに、血液に触れた際の膨潤を防いだ。また、血栓形成を阻止しようとして、一般的な抗凝固薬であるヘパリンで表面をコーティングした。

これらの厚壁で化学処理されたチューブをラットの腹部大動脈に植え込んだところ、結果はまちまちであった。最初の10週間の間、グラフトは良好に機能した。血液はそれらを通り抜け、体はその内部に平滑筋細胞と内皮細胞の層からなる新しい内層（新内膜）を構築し始めた。この新しい裏地は、天然の血管の表面を模倣しているため極めて重要である。しかし、時間が経つにつれて、厚い壁の限界が明らかになった。グラフトはラットの天然の大動脈よりも著しく硬かったのである。この剛性の違いが、グラフトと天然の動脈との接続点において不整合を生じさせ、スムーズな血流を乱した。26週目までに、この混乱によって広範な血栓が生じ、血管が閉塞した。血栓は天然の動脈から始まりグラフトへと延展しており、機械的ミスマッチが主な原因であることを示唆していた。チューブを強くするための化学処理が、体の細胞がグラフトの壁内に成長することを妨げてしまい、体を完全には同化できない異物として残してしまったのである。

厚さと化学処理こそが問題であると認識した研究者たちは、より洗練された第二のアプローチを開発した。彼らが求めたのは、天然の動脈壁と同じ約100マイクロメートルの厚さであり、かつ化学架橋を必要としないチューブであった。これを達成するため、彼らは漏斗による高密度化プロセスを変更した。ゲルを狭い隙間に流すのではなく、金属メッシュと多孔質のメンブレンでゲルの上下を固定した。底部から水を取り除く際、ゲルは内側に向かって高密度化するように強制された。これにより、空気乾燥や化学安定剤を用いることなく、非常に薄くて高密度のチューブが作られた。さらに、チューブをより薄く、かつ強くするために、高密度化を行う前にコラーゲン混合物に体内に存在する成分であるヒアルロン酸を加えた。この添加により、コラーゲン繊維がより効果的に束になり、ゲルをより小さな容積へと圧縮することができた。その結果、未修飾のバージョンよりもコラーゲン密度が5割近く高い一方で、柔軟性を保ち、化学架橋を必要としない薄壁のチューブが得られた。

チームはこの新しい薄壁チューブをラットでテストした。チューブが非常に薄く柔軟であったため、鼓動に合わせて拡大・収縮するという天然の動脈の能力に適合した。この機械的特性の一致により、接続点における急激な変化がなくなり、血液がスムーズに流れることが可能となった。研究者はまた、表面をヘパリンではなく、ジピリダモールという別の抗血小板薬で処理した。ジピリダモールの方がヘパリンよりも洗い流されにくい性質を持つ。結果は驚くべきものであった。17週間にわたって、グラフトは開通し機能を維持した。厚壁版とは異なり、体は薄壁のグラフトの中に細胞を成長させることができたのだ。内皮細胞とそれに続く平滑筋細胞を備えた新しい内層が形成され、人工の管を実質的に生きている組織へと変えていった。外表面にも、グラフトを定位置に留める役割を果たす結合組織の新しい層（新外膜）が発達した。

最も驚くべき発見の一つは、ヒアルロン酸の添加が単にチューブを薄くするだけでなく、表面の血栓発生リスクをも低下させたことである。化学的なコーティングなしでも、ヒアルロン酸を添加したコラーゲンは、通常のコラーゲンよりも血栓形成に対して有意に強い抵抗力を示した。これは、微視的なレベルでのコラーゲン繊維の配列方法が、血液と表面の相互作用において大きな役割を果たしていることを示唆している。研究者たちは、ヒアルロン酸によって作り出された束状の繊維構造が、血小板の粘着と活性化を抑制することを発見した。つまり、表面処理を補完する形で、「組み込まれた保護機構」を提供していたのである。このように、材料の内部構造の改善と表面処理の両面からアプローチすることは、表面処理のみに頼るよりも効果的であることが証明された。

この研究はまた、移植片の機械的特性を天然の血管に合わせることの重要性を強調した。厚壁グラフトの失敗は、強度の不足や表面治癒力の欠如によるものではなく、むしろそれが硬すぎたことに起因していた。剛性が生んだ攪乱が血流を阻害し、結末として血栓形成を招いたのである。対照的に、細い壁を持ち、天然の動脈と調和して動いていた薄壁グラフトは、体が材料を正常に治癒し、統合することを可能にした。この知見は、細径の血管においては、強度と同等に柔軟性とコンプライアンス（順応性）が重要であることを示唆している。研究者たちは、厚壁の方法は大規模化が可能であるが、今回の薄壁の手法については現時点では人体サイズの血管へのスケールアップが困難であるとも指摘した。これは将来、剛性のミスマッチがあまり問題にならない大型の血管には厚壁技術を用い、より繊細な小型の動脈には改良された薄壁技術を用いるという使い分けができる可能性を示している。

今後の進むべき道は、ヒトの生理機能に近いシステムにおいても同様の結果が得られるかを確認するため、より大きな動物を用いてこれらのグラフトを試験することである。研究者たちは、今回明らかにした原則――特に機械的一致の必要性と、コラーゲン構造を変調させるメリット――が、将来の血管グラフトの開発を導くと確信している。本研究は、薄壁グラフトの一つが材料の欠陥ではなく手術上の問題で最終的に消失したことから、細径血管グラフトの問題を完全に解決したと主張するものではない。しかしながら、5つのうち4つの薄壁グラフトが17週間にわたって開存し、完全な統合と組織の成長を見せた事実は、さらなる研究のための強力な基盤となるものである。この研究は、シンプルな天然素材から、体が受け入れ、造り替え可能な血管グラフトを作ることができることを立証しており、現在利用可能な合成品の代わりとなる有望な選択肢を提示している。材料が機械的および生物学的側面の両方からどのように体に働きかけるかに焦点を当てることで、チームは、損傷した血管を「生きている、呼吸する組織」で置き換えられる未来へと確実に近づいている。