米国疾病予防管理センターによると、3000万人以上のアメリカ成人が変形性関節症による痛みと障害に苦しんでいます。手術は、変形性関節症が非常に深刻な人々のための最終手段であり、それ以外の治療は効果がないと判断された場合の唯一の選択肢です。しかし、関節置換術は集中的かつ侵襲的であり、時には危険または禁忌であり、また必ず成功するとは限りません。
代替治療法の開発はこれまで困難でした。組織工学と3D細胞培養は、変形性関節症で損傷した関節の替わりとして機能する組織を作り出すことができるのでしょうか？
3D細胞培養のための組織工学スキャフォールド
先駆的な組織工学研究では、従来の2D基質を用いていましたが、Bio-Design and Manufacturing誌によると、近年は、変形性関節症の骨軟骨欠陥を修復・再生するための生体模倣3Dスキャフォールドや細胞培養プラットフォームの開発に研究の焦点が当てられています。研究者たちは、生体材料、細胞、生物活性因子の組み合わせを研究し、それらを用いてin vitroおよびin vivoで新しい軟骨や骨組織を生成してきました。
軟骨の形成は、「軟骨細胞、または軟骨形成の系統に分化することができる幹細胞を、ハイドロゲルやスキャフォールドなどの支持マトリックス中に包埋すること」を基本としてきたとAdvanced Healthcare Materials社は説明しています。しかし、軟骨細胞をベースとした治療法は実際に実施されたり臨床試験も行われたりしましたが、これらの製品の大半は有効性が実証されず、トランスレーショナル上の大きな課題が残されています。このような技術は、局所的な軟骨の欠陥を修復することはできますが、複雑な変形性関節症を修復することはできません。
骨軟骨組織工学
現在、バイオファブリケーションによって、人工組織軟骨製品となり得るものが形成され始めています。骨軟骨組織工学は、「細胞、生物活性因子、および生体材料を3Dで空間的にパターン化することを可能にする」付加的な技術であると、Advanced Healthcare Materials社は主張しています。このテクノロジーは、軟骨の自然な機械的特性を再現することができ、より複雑な生物学的シグナルと勾配に沿って細胞を3D構造に設計し、バイオプリントすることができます。
The Journal of Bone and & Joint Surgery誌によれば、組織工学には、スキャフォールド、細胞、シグナルの3つの要素の選択が必要です。目的に応じて適切な組み合わせを選択することが、治療を成功させるためには非常に重要です。整形外科の組織工学は飛躍的に進歩していますが、技術を研究室レベルから臨床レベルへと移行するには、規制や製品を上市するために必要な多額の設備投資などの大きな課題が残っています。
個別化された骨軟骨性スキャフォールドおよび3Dプリンティング
3Dバイオプリンティングの進歩は、患者が個別化されたスキャフォールドとインプラントを受けられることを意味します。関節スキャンをコンピュータ支援設計ファイルに変換してプリントしたインプラントは、解剖学的に個別化されており、最適なフィット感を作り出します。
しかし、これらのスキャフォールドを開発するには、欠陥や疲労を伴わずに関節にかかる生理学的負荷に耐えることができる複数の層を作製することが必要となります。スキャフォールドは、新しい組織の形成と同じ速度で分解されなければなりません。スキャフォールドが最終的に生物学的組織に置き換わるのが理想です。
多くの異なる骨軟骨スキャフォールドが研究者により開発され、いくつかは販売されています。しかし、それらのほとんどは、小さな骨軟骨の損傷を修復したり治療したりすることしかできません。それでも、これらのインプラントは、変形性関節症の進行を遅らせたり、止めたりすることができる可能性があり、関節置換を避けることができます。スキャフォールドのバイオテクノロジーを中心に研究は進んでいますが、小さな損傷の治療と関節置換の間にはまだまだ大きな隔たりがあります。
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