一般向け情報

医療安全全国共同行動（“いのちをまもるパートナーズ” キャンペーン）

一般向け情報 — Tue, 19 Aug 2008 09:15:52 +0900

医療安全全国共同行動（“いのちをまもるパートナーズ” キャンペーン）

このたび九州地域ならびに東北地域におきまして、下記のとおりキックオフ・フォーラムを開催する運びとなりました。詳細は、PDFファイルをご参照ください。

＜医療安全全国共同行動キックオフ・フォーラムin九州＞

開催日時：　平成20年8月24日（日）午後1時～5時20分

会　　場：　九州大学医学部百年講堂

　　　　　　〒812-8582 福岡市東区馬出3-1-1　電話092-642-6257

主　　催：　医療安全全国共同行動推進会議

　　　　　　“キックオフ・フォーラムin九州”実行委員会

参加費：　1,000円

＜医療安全全国共同行動キックオフ・フォーラムin東北＞

開催日時：　平成20年9月6日（土）午後1時～5時30分

会　　場：　仙台国際センター2階「橘」

　　　　　　〒980-0856　仙台市青葉区青葉山無番地　　電話022-265-2211（代表）

主　　催：　医療安全全国共同行動推進会議

　　　　　　“キックオフ・フォーラムin東北”実行委員会

参加費：　無料　（資料代：1,000円）

國枝　尚隆　（くにえだ　なおたか）

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医療安全全国共同行動事務局

〒100-0013

東京都千代田区霞が関三丁目7番4号明産富士ビル２階

電話： 03-5521-9550 ファックス： 03-5521-9551

E-mail: secretariat@kyodokodo.jp URL: http://kyodokodo.jp/

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キックオフ・フォーラムin九州のご案内.pdf キックオフフォーラムin東北のご案内.pdf

良くあるご質問（FAQ）

一般向け情報 — Thu, 27 Mar 2008 23:07:30 +0900

人工臓器について

（Q１）

人工臓器の定義について教えてください。

（A１）

人工臓器は、生体臓器（または組織）の機能の一部（または全部）を一時的に（または半永久的に）代行する人工（または半人工）の装置のことです。しかし言葉で述べる以上に、上の定義は色々な解釈ができます。たとえば、非常に広く捉えれば、入れ歯、松葉杖、メガネなども上の定義に当てはまりますので、広義の「人工臓器」かもしれませんが、普通はこのようなものをさしてわざわざ「人工臓器」と呼ぶことはありません。広く知られている人工臓器は、人工心臓、人工肝臓、人工腎臓などのように、主に胴体に含まれる内臓の機能代行装置です。首から上では、「脳の科学」や「人工知能」の研究を、人工臓器に含めることは稀ですが、人工聴覚や人工視覚は人工臓器の分野で扱われています。人工鼻は人工呼吸時に使用する加温・加湿装置のことで、嗅覚はありませんが、やはり人工臓器の一つと考えて良いでしょう。
　生体機能を模倣するために、駆動メカニズムまで模倣している場合（拍動型人工心臓など）と、機能を代行することだけを考えて異なるメカニズムで運転されている場合（軸流型人工心臓、人工腎臓など）とがあります。
　当学会では古典的な意味での人工臓器に加え、ハイブリッド型人工臓器や再生医療を含めた、最新医療科学について毎年さまざまな研究発表がなされています。

（湘南工科大学工学部マテリアル工学科　山下明泰）

（Q２）

将来、人工臓器や再生医療の研究がしたいのですが、どのような大学、大学院がありますか？また、どのような就職先（企業）がありますか？

（A２）

当学会では、進路先について具体的な大学名や企業名を挙げてご紹介することは行っておりません。インターネットなどを利用して検索することをお勧めします。ここでは研究者の所属する組織の形態についてご説明しますので、検索の際の参考にしてください。組織の規模でいうと人工臓器の研究者は、

研究所単位で集合している場合
医学部や工学部またはその合同の大学院に集合している場合
学科単位で集合している場合
研究室単独で研究が行われている場合

の4つに分けられます。「1」の場合には病院を併設している場合もあり、専門に関するあらゆる人工臓器についての研究・開発、ならびに臨床（治療）が行われています。「2」の場合も「1」とほぼ同様ですが、最近は大学の垣根を越えた組織も構築されています。「3」は特に臨床工学技士の養成を目的とする学科に多いようですが、現在では大学院博士後期課程まで設置されているところもあります。「4」の研究者は工学系に多いのですが、大学名、学部名、学科名には「人工臓器」に関する記述がないので探しにくいかもしれません。その研究者の名前を直接検索する他はないでしょう。
　大手の医療機器メーカは何らかのかたちで、人工臓器関連の事業を行っていることが多いようです。自分が将来やってみたい研究領域や人工臓器の名称をキーワードに、検索をかけるのが早道です。

（湘南工科大学工学部マテリアル工学科　山下明泰）

（Q３）

最先端の人工臓器について取材したいのですが、どのようにすれば良いですか？

（A３）

当学会では、一般の方に対する人工臓器の啓蒙活動、青少年の学習等のために、取材をお受けしています。当学会に対する正式なご依頼は、組織長（社長・学校長）から、当学会の理事長宛、文書でご提出いただいています（定型の書式はありません）。（持ち回り）理事会で承認後、ご依頼をお受けすることになります。理事長が上記の目的にそぐわないと判断した場合には、取材をお断りさせていただくこともありますので、予めご了承下さい。

（湘南工科大学工学部マテリアル工学科　山下明泰）

（Q４）

（市民講座などで）人工臓器について取り上げるので、専門家をご紹介下さい。

（A４）

一般の方に対する人工臓器の啓蒙活動、青少年の学習等が目的である場合、できるだけご協力いたします。しかし一般に人工臓器の研究は、臓器別に行われているため、たとえば、人工心臓の専門家が必ずしも人工肝臓について詳しい知識を持っているわけではありません。つまり「人工臓器」全体に関わる専門家というのは、ご紹介いたしかねます。お尋ねの際には、どの分野の研究者か、臨床系（医師）か工学系（工学系研究者および企業研究者）か、どの地域で行われるイベントかなどについてお知らせ下さい。

（湘南工科大学工学部マテリアル工学科　山下明泰）

（Q５）

（中学、高校、大学の）講義で使う資料を提供していただけますか？

（A５）

学会としてご提供できる講義用資料の用意はありません。当ホームページ上には、各人工臓器について、イラストを交えて簡単に紹介した部分がありますので、こちらをご利用下さい。また、一般の方向け、学会員向けのそれぞれのページに、1990年以降に発刊された図書を紹介した部分がありますので、合わせてご利用下さい。

（湘南工科大学工学部マテリアル工学科　山下明泰）

（Q６）

（学園祭、展示会などで）人工臓器に関する展示をするので、資料をご提供下さい。

（A６）

当学会には各人工臓器について、展示用パネルを用意しています。現状復帰を条件に無料で貸し出しております（ただし、往復の送料はご負担いただいております）。貸出期間が重複することがありますので、時間的に十分な余裕を持ってお問い合わせください。

（湘南工科大学工学部マテリアル工学科　山下明泰）

（Q７）

人工臓器を使うことで、生体にどのような影響が考えられますか？

（A７）

（回答準備中）

（大分大学医学部第二内科　友雅司）

人工心臓について

（Q８）

人工心臓の開発はどこまで進んでいますか？

（A８）

世界中で心臓移植が必要な患者さんは10万人いるといわれていますが、実際に心臓移植を受けた患者さんはわずか3500人しかいません。つまり、心臓移植は重い心臓病の患者さんの一般的治療法としては限界があります。このため半永久的に心臓の代わりをする補助人工心臓の開発が盛んに行なわれています。
　このような補助人工心臓システムは、患者さんが社会復帰できるように、小型埋め込み型で耐久性に優れ、制御装置、バッテリーもポータブルなシステムでなければなりません。このため、拍動流式から遠心ポンプあるいは軸流型へ、空気駆動型から電気駆動型へ、軸受け方式から磁気浮上型へと進化しています。
　ヨーロッパでは既に補助人工心臓の使用が認められ、1つのポンプで7年半にわたって使用された例も出ています。これは直径25 mm、長さ55 mm、重さ85 gの軸流型ポンプで、耐久性に優れたセラミック軸受けを使用し、制御装置とバッテリーはベルトに取り付けるタイプです。この患者さんは、普通の生活を送り、ゴルフ、登山なども楽しんだということです。更に最新のものでは、耐久性と血液への影響を小さくするため、磁力を利用して羽根車を浮上させたまま回転できるものも現れています。
　日本では国産の最新式磁気浮上型遠心ポンプの治験が進行中です。これから数年のうちに、末期重症心不全の患者さんの新しい治療法として補助人工心臓が登場することが期待されています。

（泉工医科工業（株）　神谷勝弘）

（Q９）

IABPと補助人工心臓（VAD）について教えてください。

（A９）

人工心臓に関してはこのホームページに説明されていますので、ここではIABP（Intra Aortic Balloon Pumpの略）を補助人工心臓（Ventricular Assist Devices; 以下VADと称します）と比較して説明しましょう。
　IABPとは、大動脈の中に留置されたバナナのような形状のバルーン（風船）を、心臓の動きに合わせて膨張・収縮させるものです（下図参照）。心臓から大動脈へ血液が拍出される時（心収縮期）にバルーンを縮めて、血圧を下げて心臓を収縮しやすくし、心臓が血液を吸い込む時（心拡張期）にはバルーンを膨らませて、血圧を高めて冠動脈の血流を増加させます。この二つの働きにより、心臓自体の機能回復を促します。これに対して、VADは心臓と並列に設置された血液ポンプで全身への血液循環を維持するもので、心臓の機能を代行することも可能です。VADは現在国内では、およそ年間50症例に使用されています。
　IABPのバルーンは、検査カテーテルなどと同様な手技で大腿動脈から体内に挿入でき、VADの場合のような外科手術は不要です。そのためIABPは、循環器内科で使用されています。IABPは心筋梗塞などで低下した心臓の機能が回復するまで、多くの場合集中治療室などで１週間程度使用されます。VADのように長期間使用することはできないので、患者を歩行させる目的や心臓移植までのつなぎ（ブリッジユース）には用いられていません。IABPは現在国内では、およそ年間2万症例に使用されています。

（泉工医科工業（株）　神谷勝弘）

人工血液について

（Q１０）

人工血液の現状について、教えて下さい。

（A１０）

人工血液の開発の経緯は古く、1960年代から続けられています。人間の血液は大きく分けて、液体成分である血漿と有形成分である細胞に分けられます。細胞のうち、血液の最も重要な役割である酸素運搬を担っているのが赤血球で、血液を固める役割を担っているのが血小板です。人工血液の開発の大部分は、この赤血球と血小板の開発です。
　人工赤血球の開発の方法には二つの考え方があります。一つは酸素をよく溶かし込めるパーフルオロカーボン（PFC）という物質を用いるもの、もう一つは本物の赤血球と同じように酸素と結合できるヘモグロビンを用いるものです。PFCは酸素をたくさん溶かし込めるので、水と混合して強烈にかき混ぜて牛乳のような乳化液として用います。PFCは体には無害ですが、血液の中で乳化した粒が不安定になり、血液を凝固させて詰まらせたり、臓器に影響を及ぼしたりするといわれています。ヘモグロビンを用いる方法では、血液から分離したヘモグロビンを、油の分子を使って作製したカプセル内に封じ込めます。血液と同じような酸素運搬能を有しますが、こちらもカプセルが不安定で血中で壊れたり、毛細血管に詰まってしまう問題がありますが、最近の技術革新によりかなりの問題が克服されつつあります。近い将来、脳卒中や心筋梗塞など緊急に臓器に酸素を供給する必要のある場合から応用が始まることでしょう。

（東京医科歯科大学生体材料工学研究所　岸田晶夫）

再生医療について

（Q１１）

再生医療とは何ですか？内蔵は人工的に作ることができるんですか？

（A１１）

病気やけがで失われた臓器や組織を再生して元に戻す医療が再生医療です。1996年に米国のランガー教授とヴァカンティ教授が共著で提案した「Tissue Engineering（組織工学）」から爆発的に世界中に広まりました。もともとはそれ以前からやけど治療用の人工皮膚の開発で同じような考え方が用いられていましたが、ランガー教授らのネーミングが人々の心をつかんだのでしょう。Tissue Engineering（組織工学）は再生医療を支える技術です。再生医療は英語で「Regenerative Medicine」と表現します。研究者らの間では厳密な区別はないようです。国際的な学会も両方の名称を冠しています。
　再生医療の目標は人間のあらゆる臓器、組織を再生することですが、現在はまだそこまで至っていません。最も成功している例は、人工皮膚、角膜、軟骨です。これらは、患者から分離した細胞を用いて生体外で元の組織に近いものに育て上げ、これを患者の患部に移植します。他に、筋芽細胞の移植による心筋の再生、骨髄細胞を用いた人工関節の固定力向上、幹細胞移植による末梢循環不全の治療などが試みられています。
　再生医療の最も重要な要素は、組織や臓器を再生するための細胞の確保です。自分の細胞を用いればよいのですが、組織を再生するには長い時間がかかるため、緊急時には対応できません。そこで、他人の細胞を用いてあらかじめ臓器をつくる、細胞がなくても機能が発揮できる人工組織をつくるなどの方法が考えられています。最近注目を集めているのは、iPS細胞です。各人が自分のiPS細胞を作って組織を再生できれば細胞の問題は解決できます。現状で最も効果的な方法として、組織が再生するまで人工臓器で機能を補完する方法が提案されています。これは人工臓器の新しい使い方として注目されています。

（東京医科歯科大学生体材料工学研究所　岸田晶夫）

人工肝臓について

（Q１２）

肝臓と人工肝臓の働きについて教えてください。

（A１２）

肝臓は「人体の化学工場」ともいわれるほど、人体の代謝反応において中心的役割を果たしています。わかっているだけで500種類以上の機能を担っていますが、それらは全てひとつひとつの肝細胞によって実現されています。それらは，糖・脂肪・タンパクといった三大栄養素の中間代謝（合成供給・貯蔵・分解），チトクロームP450と呼ばれる酵素を中心とした薬物代謝・解毒反応（水溶性物質に変換），脂質の腸管吸収を助け薬物毒物の排出にも使用される胆汁の合成（小腸の始めの十二指腸へ分泌される）、ビタミン・鉄の貯蔵と供給などが主なものです。

　肝臓のマクロ・ミクロな構造に着目すると、上記の代謝反応に適した構造をとっていることがわかります。まずマクロな循環系をみると、肝臓には酸素供給用の肝動脈のほかに、栄養素のほとんどが吸収される小腸から腸間膜を経て、門脈と呼ばれる血管が直接流入しています。この２つの血管は内部で合流して、肝静脈となり心臓を経て全身に回ることになります。つまり腸管から吸収された栄養素や毒性物質は、肝臓での代謝反応を受けないうちは全身に回ることができない構造となっています。さらにミクロな構造に着目すると、肝細胞はおよそ二層に並び、微小な穴の開いた特殊な血管内皮細胞層を介して、血流と高効率で接触ができるようになっています。隣り合った肝細胞同士の結合部分には微小胆管が伸びていて、これが肝臓全体で合流して胆汁となり、胆嚢に貯蔵された後に十二指腸へ分泌されます。

このような肝臓の機能を人工的な装置で総括的に置き換えることは非常に困難であることから、「人工肝臓」としては，装置の内部に動物などの肝細胞を固定化するハイブリッド型のものについて研究が行われてきています。詳細は本ホームページの「人工臓器とは？」から「人工肝臓」のページをお読みください。装置開発に関する工学的な課題はひとまずほぼ解決されており、今後の課題は、ヒト正常肝細胞を如何に多量に得ることができるかである、といっても過言ではありません。この視点からは，ES細胞やiPS細胞から大量に能率よく肝細胞を得る技術の確立が強く望まれます。

（東京大学生産技術研究所　酒井康行）

組織工学について

（Q１３）

ティッシュエンジニアリングを始めたいのですが、どのような知識や設備が必要ですか？

（A１３）

ティッシュエンジニアリングの成功のためには、異なる学問分野の成果を適切に融合する必要があります。よく言われる組織工学の三要素としては，幹または前駆細胞，細胞の担体となるマテリアル、培養に必要な分化増殖因子、が挙げられますが、１・３番目は基礎医学・基礎生物学といった学問が、２番目は応用化学といった学問が、それぞれ研究を担ってきています。これに加えて、未熟な組織臓器を生体外で育成するために生物工学と、最終的な治療効果を評価してその結果を開発にフィードバックするための臨床医学、なども三要素に加えて必須であると考えています。従って、ご自身の専攻分野以外の最低限の知識と方法論を学ぶ必要があります。この目的のために、やや古くなってしまいましたが、京都大学の岩田博夫先生の書かれた「生体組織工学」（産業図書，1995年）を推薦いたします。一方、組織工学・再生医療の到達度は目的とする組織臓器によって様々で、日々進歩しています。これらについては，多数のよい成書が出版されています。もし，他分野とは言えある程度研究の経験を踏まえているならば、広範な知識を隈なく習得しようとするよりも、まずは目的意識的に必要な知識・技法を学び、予備的に研究を始めてみるのがいいかと思います。

実験に必要な設備ですが、まずは通常の細胞培養用のものは最低限必要となります。これに加えて動物実験を行うとなれば、動物飼育設備が必要となります。担体は簡単なものならば、ちょっとした努力で自作は可能ですが、今は市販のものも出ています。バイオリアクターを使った組織育成まで進めるとすれば、それらの装置を購入する必要があります。組織工学・再生医療の目的で細胞を培養する上で最大の問題は、培養液や増殖分化因子が極めて高価なことです。これも目的とする組織臓器と出発細胞に何を用いるか、によりますので、具体的に考える必要があります。

（東京大学生産技術研究所　酒井康行）

人工腎臓について

（Q14）

血液透析濾過は他の人工腎臓治療とどこが違うんですか？

（A14）

血液濾過透析（hemodiafiltration）は血液透析と血液濾過を同時に行う血液浄化法の一種です．血液透析および血液濾過と血液濾過透析との施行方法の違いを図１に示しました．図に示す血液浄化器は中空糸型の血液浄化器です．このタイプの血液浄化器は半透膜でできたストローのような形状をした中空糸を5000〜10000本束ねて作成されています．

　　図において血液を中空糸の内側に上から下方向に流した場合，一番左に示す血液透析では透析液を中空糸の外側に下から上に流します．血中の物質は中空糸の内側を流れる血液から外側を流れる透析液に拡散の原理で移動します．その結果血液を浄化することができます．図の真ん中に示す血液濾過では中空糸の外側に陰圧をかけます．血中の物質および水分は中空糸の内側から外側に対流の原理で移動します．その結果血液を浄化することができます．一番右に示す血液濾過透析では中空糸の外側に透析液を流すことで血液透析を行いつつ，中空糸の外側に陰圧をかけることで血液濾過も同時に行います．その結果血中の不要物質は拡散と対流の両方の原理で中空糸の内側から外側に移動します．つまり血液濾過透析は血液透析と血液濾過を同時に行う血液浄化法で，血液透析の優れた小分子量物質除去性能と，血液濾過の優れた中分子量物質除去性能を同時に兼ね備えた，理想的な人工腎臓治療と言えます．

　　ではこのような理想の血液浄化療法が最近になってようやく臨床応用される様になったのはなぜでしょうか?

　　ここで血液浄化膜の進歩についてご説明したいと思います．先に示したように，血液透析は物質の拡散現象を利用して血液浄化を行う治療です．そのため，物質が拡散しやすいように血液透析器に使用される半透膜はとても薄く作られていました．薄く作るが故に強度の問題で，あまり大きな孔を半透膜に開けることができませんでした．

　　一方，血液濾過は対流現象を利用して血液浄化を行う治療です．そのため濾過する際の圧力に耐えられるように半透膜の膜厚を厚くし強度を高めていました．膜が厚く丈夫なので大きな孔を半透膜に開けることができました．つまり以前は透析用の膜と濾過用の膜は全く異なる構造をしており，透析と濾過とを同時に施行する血液透析濾過に使用するにはどちらの膜も適していませんでした．成膜技術の発展に伴い，透析膜は膜孔径をより大きく，濾過膜は膜厚をより薄くすることが可能となりました．これが現在のhi-performance membraneと呼ばれる膜です．この透析にも濾過にも適した高性能な血液浄化膜が誕生したおかげで，血液濾過透析が可能となりました．

　　余談ですが血液濾過透析の名称についてお話しします．血液濾過透析の英語表記はhemodiafiltrationで，HDFと略されます．Hemodiafiltrationを直訳しますと血液透析濾過となります．しかし，HDFに古くから携わる臨床家の間では語呂の関係から血液濾過透析と称することが多く，血液透析濾過と血液濾過透析の呼び名が混在しています．本解説においては私が呼び慣れた血液濾過透析に統一させていただきました．

（山梨大学医学部救急集中治療医学講座　松田兼一）

（Q15）

急性血液浄化法について、基礎的な情報が欲しいのですが。

（A15）

急性血液浄化法とは，慢性維持透析に代表される慢性疾患に用いられる血液浄化法の対極に位置する，急性期に用いられる血液浄化法の総称と考えられていることがあります．しかし，日本急性血液浄化学会の欧文名にJapan Society for Blood Purification in Critical Careが用いられていることからもわかるように，急性血液浄化法とはICUに収容されているような重症症例に対して施行する血液浄化法の総称とすべきと考えています．

急性血液浄化法について筆者が推薦図書を下に示します．ご参照下さい．

左から

急性血液浄化法，平澤博之編，1999，総合医学社，東京

CHDFの理論と実際—原理・施行法編-，平澤博之編，1998，総合医学社，東京

CHDFの理論と実際—各種疾患応用編-，平澤博之編，1999，総合医学社，東京

急性血液浄化法-あんな症例・こんな症例-，平澤博之編，2006，医学図書出版，東京．

（山梨大学医学部救急集中治療医学講座　松田兼一）

（Q16）

ダイアライザの性能評価には、決められた方法があるんですか？

（A16）

血液透析などに用いられる血液浄化器を、ひとりひとりの患者に適切に選択するためには、その性能が客観的な方法で評価されていなければなりません。この性能評価法については、いろいろな学術団体によって検討されてきました。古くは水溶液系の評価法が日本人工臓器学会から提案されており1）、基本的な方法論は他の評価法に受け継がれています。血液系の評価法を含み、現在、最も信頼されているのは日本透析医学会によるものです。この中には、血液浄化器の性能の分類と性能評価の方法が規定されています2）。なお、2008年に一部が修正されています3）。具体的には、血液浄化器の透水性を表す限外濾過率、溶質透過性を表すクリアランス、濾過に伴う溶質の透過率を表すふるい係数について、その測定法ならびに推算法について記載されていますので、ご参照下さい。

文献

日本人工臓器学会：ダイアライザー性能評価基準、日本人工臓器学会, 1982.
佐藤威、斉藤明、内藤秀宗、鈴木正司、秋沢忠男、篠田俊雄、峰島三千男、金成泰、秋葉隆：報告各種の血液浄化法の機能と適応 - 血液浄化器の性能評価法と機能分類、透析会誌　29: 1231-1245, 1996.
秋葉　隆、川西秀樹、峰島三千男、政金生人、友　雅司、川崎忠行、西沢良記：透析液水質基準と血液浄化器性能評価基準2008、透析会誌 41: 159-167, 2008.

（東京女子医科大学臨床工学科　峰島三千男）

（Q17）

装着型あるいは体内植え込み型人工腎臓の研究はどこまで進んでいますか？

（A17）

結論からいえば、残念ながら現状ではほとんど進んでいません。人工腎臓による血液透析はすでに臨床応用に成功してから60年超の歴史があり、技術的には確立していますが、この治療は週3回、1回4時間程度、間歇的に行われるのが普通です。人工腎臓を装着もしくは体内に植え込むことによって、生体腎臓と同等の機能を発揮させようとする発想はかなり以前からありましたが、それを困難にしている一因は、生体と人工腎臓が接触する部分（インターフェース）の医療材料といえるでしょう。血液の体外循環には抗凝固薬の使用が不可欠ですが、適切に使用しても血栓や凝血塊が形成され、人工腎臓の交換を余儀なくされることがあります。この意味では、他の人工臓器治療同様、生体適合性の高い医療材料の開発が待ち望まれます。
　人工腎臓を用いた治療の長時間化、連続化が有効であることは、すでに臨床的にも明らかになっています。近未来の人工腎臓治療として、現在の血液透析を長時間化または頻回に行うものが注目されている。夜間在宅で就寝中に、安全に施行可能な透析療法が実現すれば、患者の病態は大幅に改善されるでしょう。これには、体外循環を連続的に監視するモニタリング技術とそれを安全に施行できるような制御技術、すなわち装置の改良に依存する部分が大きいものと思われます。一方、遠未来の人工腎臓治療としては、尿細管機能を付加したハイブリッド型もしくはバイオ人工腎臓の研究が15年以上前から検討されています。ティッシュエンジニアリングによる再生医療、免疫寛容にもとづく異種移植、マイクロ・ナノ技術による超人工腎臓治療などの可能性に期待したいと思います。

（東京女子医科大学臨床工学科　峰島三千男）

動物用人工臓器について

（Q18）

獣医領域における人工臓器の製品や研究の現状について教えてください。
（A18）

生活水準の向上に伴って、ペットも家族の一員と見なす飼い主が増え、高度な治療を望むケースが増えているようです。そうした背景から、ペットの心疾患に対して、人工弁や人工心肺を使った手術を施し、腎不全に対しては人工腎臓治療（人工透析）を施すなど、人工臓器を使った治療が増えつつあるそうです。ヒト用の人工臓器とペット用のそれとの間に、原理的な違いはありません。ただしペットとなる動物は人間より小さく、生存力も弱いので、それに合わせた特殊なスペックが求められる場合も多いそうです。

詳しくは以下のサイトがお勧めです。

http://sc-smn.jst.go.jp/8/bangumi.asp?i_series_code=B040615&i_renban_code=008

（芝浦工業大学工学部応用化学科　吉見靖男）

医療材料について

（Q19）

医療用材料に放射線を照射するときに注意すべき点を教えてください。

（A19）

人工臓器分野における放射線の利用は医療用具の滅菌が主体です。高圧蒸気滅菌、ガス滅菌（エチレンオキシドガス）、薬液による滅菌の対象にならない医療器具の滅菌に、γ線滅菌が用いられています。対象となる材料は多くの場合、高分子化合物ですので、その耐放射線性について概説します。

　放射線による高分子材料の劣化は主鎖切断型と架橋型に大別でき、材料の化学構造に依存します。主鎖の炭素に水素がない場合、例えばポリテトラフルオロエチレンでは主鎖切断型劣化、水素が多く結合している場合、例えばポリエチレンでは架橋型劣化を起こりやすくなります。一般に架橋型の方が主鎖切断型より耐放射線性に優れています。芳香族系の置換基を持った高分子（例えば、ポリスチレン）は構造上、吸収した放射線エネルギーを非局在化できるため、優れた耐放射線性を示します。一方、フッ素系（例えば、ポリテトラフルオロエチレン）では耐放射線性は低いといわれています。

　　 汎用高分子の耐放射線性の比較

ポリスチレン＞アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン共重合物＞＞

ポリ塩化ビニル＞ポリカーボネート＞エチレン-プロピレン共重合物＞酢酸セルロース＞ポリプロピレン＞ポリメタクリル酸メチル＞ポリアミド（ナイロン）＞パーフルオロエチレン-プロピレン共重合物＞＞

ポリテトラフルオロエチレン（テフロン）

参考文献：大澤善次郎：高分子の寿命予測と長寿化技術, NTS, 1992, p.111

（三重大学大学院工学研究科分子素材工学専攻生体材料化学研究室　堀内　孝）

ハイブリッド人工臓器について

（Q２０）

ハイブリッド人工臓器について教えてください。

（A20）

ハイブリッドとは、雑種、混成を意味します。つまり、二つ（またはそれ以上）の異質のものを組み合わせて、一つの目的を達成することになります。ハイブリッド自動車は、ガソリンエンジンと電気モーターを組み合わせたものですね。人工臓器でいうハイブリッドとは、生物と人工物の組み合わせのことです。細胞と人工材料を組み合わせて作る人工臓器、それが現在考えられているハイブリッド人工臓器です。なぜハイブリッドにするかですが、臓器移植の欠点（提供臓器の不足、拒絶反応等）と人工臓器の欠点（生体機能を完全に代行できない等）を補い合って、すばらしい人工臓器となる可能性があるからです。人工肝臓、人工すい臓、人工血管や人工皮膚などの分野において、ハイブリッド型デバイスの研究開発が進められています。最近では細胞の取り扱いが難しい腎臓についても、ハイブリッド型人工腎臓の研究が進んできました。この中には、すでに臨床に用いられたものもありますが、治療学として定着するには、治療中だけでなく、治療が終わった後を含めた安全性について十分な検討が必要とされています。

（北海道大学医用電子工学研究所　村林　俊）

人工膵臓について

（Q21）

人工膵臓治療が受けられる施設は、全国に何カ所くらいありますか？

（A21）

（回答準備中）

人工臓器一般書

一般向け情報 — Thu, 27 Mar 2008 23:07:00 +0900

人工臓器イラストレイテッド

著者・編者：日本人工臓器学会編
出版社・発行所：はる書房
発行年：2007年9月
ISBN-13：978-4899840800
価格：￥2,200（税別）

人工臓器 2006

著者・編者：冨澤康子　編
出版社・発行所：日本人工臓器学会
発行年：2006年7月
ISBN：
価格：

人工臓器・再生医療の最先端

著者・編者：西田博 [ほか] 編集委員 ; 許俊鋭, 斎藤明, 赤池敏宏編集主幹
出版社・発行所：寺田国際事務所/先端医療技術研究所
発行年：2005年11月
ISBN：4925089455
価格：￥9,800（税込）

人工臓器は、いま―暮らしのなかにある最先端医療の姿

著者・編者：日本人工臓器学会編
出版社・発行所：はる書房
発行年：2003年11月
ISBN-13：978-4899840459
価格：￥2,100（税込）

人工臓器物語 : コンタクトレンズから人工心臓まで

著者・編者：筏義人著
出版社・発行所：裳華房
発行年：2002年5月
ISBN：4785387424
価格：￥1,575（税込）

移植と人工臓器

著者・編者：浅野茂隆、澤和惠、藤正巖　編
出版社・発行所：岩波書店
発行年：2001年3月
ISBN：4000109243
価格：￥5,670（税込）

人工臓器と臓器移植- 改訂版

著者・編者：新井達太　編
出版社・発行所：同朋舎
発行年：2000年2月
ISBN：
価格：

人工臓器 : 生と死をみつめる新技術の周辺

著者・編者：渥美和彦　著
出版社・発行所：日本放送出版協会
発行年：1996年2月
ISBN：4140017619
価格：

ここまで進んだ人工臓器 : 21世紀へのビジョン

著者・編者：岡田昌義　編
出版社・発行所：科学評論社
発行年：1995年11月
ISBN：
価格：

人工臓器用語解説集

著者・編者：人工臓器用語解説集委員会編
出版社・発行所：金原出版
発行年：1991年9月
ISBN：4307770714
価格：￥4,893（税込）

研究を志す方へ

一般向け情報 — Tue, 25 Mar 2008 15:54:19 +0900

　「良くあるご質問（FAQ）」のQ2にも記しましたが、当学会では、進路先について具体的な大学名や企業名を挙げて、ご紹介することは行っておりません。しかし、「進路に関して専門家の意見が聞きたい」、という方に対しては、専門の研究者がお答えできる場合があります。お知りになりたい内容をこちらまでお寄せ下さい。内容に応じて、会員の中から適任者を選び、できる範囲で対応いたします。「良くあるご質問（FAQ）」もご参照ください。

過去の学園祭共催実績

一般向け情報 — Tue, 25 Mar 2008 15:47:16 +0900

共催名	開催地	講演者	共催内容
第４２回理工展	早稲田大学	梅津光生酒井清孝土屋喜一 -	人工臓器展示、公開シンポジウム
大学祭	東京女子医科大学	-	臓器標本・臓器模型・人工臓器展示、研究発表、講演会
第42回すずかけ祭	東京工業大学	赤池敏弘	講演会
第17回医学祭	東北大学	仁田新一	人工臓器展示、研究発表、特別講演会
大学祭	旭川医科大学	葛西眞一	人工臓器展示、研究発表
文化祭	筑波大学付属駒場高校	-	人工臓器展示、研究発表
文化祭	北海道旭川高等学校	-	人工臓器展示、研究発表
第43回特別展「ゆれる生と死の境界」	リバティー大阪大阪人権博物館	-	-
開催予定	仙台第一高等学校	仁田新一	-

詳しい資料について

一般向け情報 — Tue, 25 Mar 2008 14:30:58 +0900

もっと詳しい情報がほしい方へ

　患者さんをはじめ、学生さん、関連領域の研究者の方など、詳しい情報が欲しい方には、この分野の入門書籍をご紹介します。さらにもっと詳しい情報が欲しい方は、「良くあるご質問（FAQ）」をご参照ください。それでも知りたい情報が見つからない場合には、質問をお寄せください。この学会で活躍中の第一線の研究者が、回答することもあります。

●書籍

学園祭やセミナー等で「人工臓器」に関連した企画を考えている担当者の方へ

本学会から人工臓器の貸し出し、専門家（会員）の派遣などの協力が可能です。
ご希望の方はこちらまで

●過去の学園祭共催実績

アフェレシス

一般向け情報 — Tue, 25 Mar 2008 14:23:49 +0900

アフェレシスは代用臓器ではありません

　代用臓器とは、だめになった臓器の代用品として用いる臓器のことです。人工腎臓や人工心臓など、ほとんどの人工臓器はその臓器の機能を代行する代用臓器です。しかし、アフェレシスは代用臓器ではありません。いわば新たな機能を行う将に人工的な臓器、それがアフェレシスです。　

言葉の由来とアフェレシス療法

アフェレシスとは、聞き慣れない言葉と思います。ギリシャ語から作られた言葉で、“強制的に取り去る”という意味を持っています。では、何を“取り去る”のでしょうか。アフェレシス療法では、病気の原因になるものなど、体にとって好ましくないものを“取り去る”ことを行います。O-157食中毒の治療に血漿交換という治療が行われましたが、この血漿交換はアフェレシスの一つの方法です。この治療では、O-157が作り出すベロ毒素を除去したわけです。O-157の治療だけではなく、アフェレシス療法は色々な病気の治療に用いられています。その場合、“取り去る”ものは、その病気によって異なります。血漿という血液の液体成分に含まれる病因関連物質や、血球成分である白血球などです。それらを除去することにより、病気の治療を行う人工臓器がアフェレシスです。　

アフェレシスの方法

　アフェレシスは、血漿成分の除去と血球成分の除去に分けることができます。

血漿成分の除去

1) まず血液から血漿を分離する－血漿分離法－

　血漿中に含まれる病気関連の物質を除くためには、まず、血液から血漿を分離するという操作を行い、次に血漿中からその物質を除去するという２段階の操作を行います。なぜ血液から直接除かないで、一旦血漿分離を行うかといいますと、結局、その方が安全にまた有効に物質除去を行うことができるからです。血液からの直接操作ですと、血液を固まらせる働きをする血小板や、外敵に対して戦う白血球などの反応が生じることもあり、なかなかやっかいです。でも、一旦、血漿に分けてしまいますと、そこには細胞がありませんから、容易にまた安全に物質除去が行うことができます。また、血漿分離法と呼ばれる血液から血漿を分ける方法が開発されたことも、２段階で行う大きな理由です。

血漿分離法には、遠心力で行う方法と合成高分子膜を用いる方法があります。血液中の細胞は、比重が血漿よりわずかに大きいため、遠心力を与えると、底にたまり、血漿と分離ができます。これを遠心分離法といいますが、血漿分離法では連続的に血漿分離を行うことができる装置が使われています。つまり、患者さんから血液を体外に出し、遠心分離により血球成分と血漿成分に分け、血漿中から病因関連物質を除き、浄化された血漿を血球成分と合わせて患者さんに戻します。合成高分子膜を用いたもう一つの方法は、膜型血漿分離法と呼ばれています。その膜は色々な高分子素材から作られていますが、どれも0.2-0.4μm程度の小さな孔が空いていることに特徴があります。つまり、フィルターなわけです。そのフィルターの孔の大きさですが、血液中の細胞で一番小さな細胞が血小板で、その大きさの1/10程度のサイズです。ですから、その膜に血液が流れますと、液体成分の血漿は漏れ出てきますが、血球成分は通過できません。実際の血漿分離膜は、マカロニのような中空糸になっています。その内部に血液を流し、血漿を分離します。その血漿の中に除きたい成分が含まれているわけでして、その成分の除去操作を行います。

2) 次に病因関連物質を除く－血漿成分除去法－

　血漿中から病因関連物質を除く方法として、次の４つの方法が行われています。

a)血漿交換法

　分離した血漿を全て廃棄します。でも、そうすると体に必要な成分も無くなってしまいますので、健康な人から得られた血漿を戻します。また、場合によっては、血液中のタンパク質の中で一番量が多いアルブミンを代わりに使うこともあります。分離した患者さんの血漿を捨て、代わりの血漿を加える、つまり血漿を交換するので、血漿交換法と呼ばれています。肝臓が機能しなくなったときなど、除きたい成分が多数ある場合に用いられています。また、O-157のように、その成分を除く方法が見つからない場合にも用いられています。

血漿交換法は、体に必要な成分まで全て捨ててしますので、非常にもったいない方法といえます。必要なものはなるべく残し、病因関連物質を選択的に、除くことが望まれますが、その方法として以下の３つの方法が開発され、臨床で用いられています。

b) 二重膜濾過法

　分離した血漿を、再度、別の膜で濾過し、病因関連の血漿成分を除きます。そのため二重膜濾過法と呼ばれます。成分濾過に用いる膜の孔のサイズは、血漿分離膜と較べ一桁小さく、大きな成分を通さずアルブミンなどの比較的小さなタンパク質は通過可能です。除きたい成分が、抗体や抗体と抗原が結合したものなど比較的大きな分子の場合に用いることになります。より選択的な除去が可能となるわけです。

c)冷却濾過法　

　病因関連物質を多く含む血漿は、冷却すると白濁することがあります。これはその物質が冷却によって集まりクライオゲルというものを作るためです。いわば凝集体ですので、比較的大きな粒になります。そのため、膜により濾過が容易となります。この性質を利用し、血漿を冷却して膜濾過を行う方法が冷却濾過法と呼ばれています。

d)吸着法

　病因関連物質が特定できた場合、その物質を特異的に吸着させる材料を用いることによって、その物資のみを除去することが可能です。いわば究極の除去法といえます。色々な吸着材が使われていますが、代表的なものに悪玉コレステロール（ＬＤＬ）の吸着材があります。これによって、動脈硬化の治療が行われています。その吸着材を図１に示しました。その表面は、硫酸デキストランというマイナスのひげが付いています。LDLやＶＬＤLはプラスのチャージを持っていますので、プラスとマイナスで引き合って吸着することになります。一方、善玉コレステロールといわれるHDLはマイナスのチャージを持っていますので、反発し合って吸着はしません。このように、除去したいものの性質に基づいて、色々な吸着材が開発され、治療に用いられています。　

血球成分（白血球）の除去－白血球除去療法

　アフェレシス療法によって治療が行われる病気には、難治性疾患つまり治療困難な病気が多いのです。なぜ難治性かといいますと、免疫システムが自分に反応してしまって生じる病気など、自分自身が作り出す病気であるためです。液性成分の除去は、その反応によって生じた成分を除いていることになります。確かに効果があるのですが、時間が経つとまた増えてしまう場合も多くあります。なぜでしょうか。その成分を作っている細胞―白血球はそのままだからです。では、その白血球を除いてやればいいのではと思われるでしょう。そうです。その方法が実際行われていて、白血球除去療法と呼ばれています。

　白血球には、色々な種類がありますが、リンパ球や顆粒球を除くためには超極細繊維が、顆粒球を除くためにはセルロースアセテートの吸着材が用いられています。超極細繊維とは、メガネ拭きや人工皮革に用いられている繊維です。衣料に使われる繊維の1/10程度の直径で、わずか数μmの繊維です。図２に、その超極細繊維に吸着したリンパ球の電子顕微鏡写真を示しました。白血球除去療法は色々な病気の治療に用いられていますが、最近のトピックスは、重症・難治性潰瘍性大腸炎の治療に非常に効果があることです。これまでですと手術をし、大腸をとってしまっていた場合も多くありましたが、この治療法で改善することが示されています。また、エイズ患者などの治療にも用いられ始めています。　

アフェレシスの未来

　これからの日本は、人類が経験したことがない高齢化社会を迎えようとしています。でも、考えてみますと、高齢化と老化は違うはずです。高齢となっても、健康であり、仕事ができるのであれば、また新しく素晴らしい社会となるはずです。老化を少しでも遅らせること、これが今後の医療の大きなチャレンジであるわけです。そのため老化のメカニズムに関する研究が盛んに行われています。まだまだ分からないことが多いのですが、色々な原因で生じたもの－ここではゴミと呼んでみます－が、体の処理・修復能力以上に増えてしまい、色々な臓器が衰えてしまうためのようです。

　アフェレシスを考えてみますと、色々な病気の治療に用いられていますが、その病気の多くは、自らが作り出した病気です。それらの病気は、簡単にいうと、体が色々な原因で作り出したゴミを自らが処理できなくなった結果といえます。そのゴミを除く方法がアフェレシス療法なわけです。

高齢化によって生じたゴミもアフェレシスで除くことができないでしょうか。残念ながら、今のところ高齢化で生じたゴミと、病気で生じたゴミを一緒にすることはできません。しかし、将来、アフェレシスの技術が発展し、高齢化で生じたゴミを除くことも可能になるかもしれません。また、ゴミを少なくするようにできるかもしれません。そのような大きな夢をもたらしてくれるかもしれない人工臓器、それがアフェレシスなのです。　

Figure Caption 図１：LDL１吸着材、図２：リンパ球

図１．悪玉コレステロール(LDL)は、マイナスのひげに吸着する

図２．超極細繊維に吸着したリンパ球の電子顕微鏡写真

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人工膵臓

一般向け情報 — Tue, 25 Mar 2008 14:11:53 +0900

「人工膵臓」

１．糖尿病とは

　糖尿病とは，インスリンという血液中のブドウ糖濃度（血糖値）を下げるホルモンが不足することにより，血糖値が上昇し，様々な合併症を引き起こす病気である．

　この糖尿病は，紀元前の昔から人類が抱えてきた病気であるが，近年その患者層は子供や青・壮年にまで広がり，その数は日本全国で690万人，これに予備軍を加えると1370万人に達し，患者数の増加と共に慢性合併症が増加し，大きな問題となり今や国民病（生活習慣病）としてその対策が待望されている。

　1921年のバンティングとベストによるインスリン（血液中のブドウ糖濃度，すなわち血糖値を下げるホルモン）の発見は，インスリン注射療法という画期的な治療法をもたらし，今日まで幾千万人もの糖尿病患者の生命を救い，寿命の延長をもたらしたことはいうまでもない。しかし，現在の糖尿病の治療や管理は，まだまだ不十分といわざるを得ない。インスリンの発見，治療への応用により，確かに重症の糖尿病性昏睡による死亡率は激減したが，慢性血管合併症として網膜症による失明や人工透析の必要な腎障害（腎症），さらに心筋梗塞や脳動脈硬化症（脳卒中）による死亡が増加してきた。また，壊疽により足を切断しなければならない悲惨な経過をたどる症例も増えてきている。糖尿病は，全身病として治療や管理の難しさに，今なお多くの問題点を抱えているといわざるを得ない。　

２．人工膵臓

　これら問題となる糖尿病の慢性血管合併症の発症，進展を阻止するためには，一生涯にわたって血糖値を厳格にコントロールする必要がある。そこで，糖尿病患者の失われた膵内分泌能（インスリンを分泌する膵β細胞，グルカゴンを分泌する膵α細胞）を，人工的に機械で作り置き換えてやろうとするものが人工膵臓（図１）といえる。健康人は食事を摂ると血糖値が上昇，膵β細胞からインスリンが分泌され，筋肉，脂肪組織や肝臓に働いてブドウ糖を利用し，その結果として血糖値は下がる。しかし，糖尿病患者は膵β細胞のインスリン分泌が低下しているため，各組織でのブドウ糖が利用できず，血糖値が上昇する。現在の糖尿病治療のためのインスリン注射療法は，不足しているインスリン量を医師の指示に従って自己注射しているにすぎず，血糖コントロールは不充分といわざるをえず，人工膵臓の応用により，はじめて，健常人と同様，生理的な血糖コントロールが可能となった。　

３．ベッドサイド型人工膵臓の臨床応用

　現在，大型コンピュータを応用した大型人工膵臓（第一世代）につづき，ベッドサイド型人工膵臓（第二世代，図２）が開発され，臨床応用が可能となった。2000年度日本人工臓器学会レジストリー委員会の集計によると，これまでにベッドサイド型人工膵臓は13,000例余りの臨床応用例を重ねてきている。しかし，現在の人工膵臓は大型であり，ベッドサイドでしか使えないこと，採血量が1日あたり30?72mlであること，カニューレ挿入部の感染，静脈炎発症の危険性のあること，などから長期応用には問題もあるが，比較的短期間の治療，あるいは検査機器としての応用にはきわめて有用であると結論しうる。これまでに，糖尿病性昏睡や手術時等の血糖コントロール，血糖コントロールが困難な糖尿病患者のインスリン投与量や投与方法を決めるために用いられてきた他，グルコース・クランプ法というインスリン感受性を評価するための検査にも用いられてきた．

４．開発の展望

　人工膵臓開発の所期の目的は，長期に亘る血糖値の厳格なコントロールと，その結果として問題となる慢性血管合併症の発症，進展阻止であり，そのためには人工膵臓の小型化が必須となる。科学技術の飛躍的進歩に伴い，今日に至り，ようやく携帯可能な携帯型人工膵臓（第三世代，図３）が開発，その有用性が確認され，企業による製品化とその臨床応用の見通しがついてきた。次の段階として，体内にシステムを植込んでしまう植込み型人工膵臓（第四世代，図４）の開発に向け，研究開発が進められている。

　近い将来，糖尿病患者が，携帯型人工膵臓を携帯し，又植込み型人工膵臓を体内に植込むことにより，長期に亘る厳格な血糖コントロールが可能となるだろう。その結果，糖尿病患者の生活の質(Quality of Life)の向上，寿命の延長に貢献しうることを願っている。　

図説明

図１　人工膵臓コンセプト

図１
膵β，α細胞の機能と人工膵臓の比較。

膵臓のランゲルハンス氏島にはインスリンを分泌する膵β細胞とグルカゴンを分泌する膵α細胞があり，糖尿病患者の失われた膵β，α細胞の機能を代行するため，その機能を機械的に再構築したものが人工膵臓である。膵β及びα細胞は血糖値（重要なエネルギーとなる血液中のブドウ糖濃度）の動きを知り，細胞の中心である核に信号を送り，血糖値を下げる，又は血糖値を上げるために顆粒として蓄えているインスリン及びグルカゴンを細胞外に分泌する。したがって，その機能を代替えする人工膵臓は，血糖値の動きを知るためのブドウ糖センサ，インスリン及びグルカゴン分泌量を規定する細胞核に相当するコンピュータ・システム，及びグルカゴン及びインスリン顆粒に相当する貯蔵器と，それを体内に注入するポンプを結合したものである。細胞が生きるためにはエネルギーが必要であるが，人工膵臓では電池に置き換えればよい。

図２　ベットサイド型人工膵臓

図２
ベッドサイド型人工膵臓で治療中の重症糖尿病患者。

　現在，ベッドサイド型人工膵臓は，入院中の重症の糖尿病患者，糖尿病患者の外科手術時の血糖コントロールにその威力を発揮している。

図３　携帯型人工膵臓

図３
糖尿病患者の長期に亘る血糖コントロールのための微小針型ブドウ糖センサを組み込んだ携帯型人工膵臓。

　微小針型ブドウ糖センサを皮下に挿入することにより，採血の必要もなく血糖値を計ることができる。この信号を携帯型人工膵臓に送ることにより，血糖値にみあうインスリン量が計算され，自動的に体内に注入される。携帯型人工膵臓をジャケットに入れ携帯することにより，長期に亘り血糖値をコントロールすることができる。

図４　埋め込み型人工膵臓

図４
植込み型人工膵臓の模式図

　超小型の光センサをイヤリングあるいは義歯として体に装着して血糖を計り，腹部の皮下に埋め込んだ植込み型人工膵臓に電波でその結果を送る．人工膵臓は送られてきた血糖値を基に，必要なインスリン量を計算し，自動的に体内にインスリンを注入する．

人工血管

一般向け情報 — Tue, 25 Mar 2008 13:55:20 +0900

人工血管

　世界で初めて人工物を縫いつけることによって、血管の代わりにする動物実験に成功したのはVoorheesらで、1952年のことです。人工の血管（人工血管）は成人では主に病的な生体血管を取り替え、バイパスあるいはシャントするために、小児では主にシャントあるいは再建するために用いられます。人工血管は内腔を血液が通り、形は管状で単純ですが、作るときには、使いやすさ、血栓でつまらないこと、生体に適していること、長く機能すること、安全に使えること等の重要な因子を考慮しなくてはなりません。

人工血管が備えるべき条件としては以下の項目があげられます。

１．宿主との生体適合性が良く、毒性、発ガン性、抗原性がない。
２．生体内で劣化しにくく、丈夫である。
３．感染に抵抗性である。
４．滅菌と保存が容易である。
５．種々のサイズのグラフトがそろっている。
６．操作性が良い。
７．対処できないほどの血液の漏れが人工血管からない。
８．無血栓性である。
９．値段が高すぎない。

市販されている人工血管は材質、構造と性質により分類することができます。現在の人工血管を材料で分類すると、(1)布製、(2)PTFE製、(3)生体材料製、(4)合成高分子材料製、あるいは人工素材と生体材料を組み合わせた(5)ハイブリッドのものもあります。将来、日常的に使われる可能性のある人工血管の種類としては(6)組織工学を用いた人工血管、(7)機能を持つ人工血管、(8)再生血管があります。また、まだ臨床には使われていませんが(9)培養人工血管、(10)遺伝子導入した人工血管の研究もさかんに行われています。

最近では、ステントグラフトとよばれる人工血管に金属の支えのついたものを畳んで、カテーテルを使って動脈瘤の病変部に入れて治療するといった使い方をすることもあります。

人工血管の種類

1)　材料による分類

布製人工血管：ー般的に『布製』といえば化学繊維のポリエステルでできています。織り方ではメリヤス編み（ニット、knit）と平織り（woven）の2種類が基本です。人工血管の性質は繊維の構造と密度により異なります。血管の繊維の隙間から血液が漏れるため、患者さんの血液で目詰まりさせて使います。繊維の隙間をコラーゲンやゼラチンで詰め、手術中は血液が漏れないようにした製品があります。血液の流量の多い大動脈に用いるので、耐圧性、止血性に優れなくてはなりません。人工血管が折れ曲がらないように皺をつけまるが、この皺のことをクリンプ(crimp)と呼びます。

PTFE製人工血管：撥水性材料であるpolytetrafluoroethylene(ポリ四フツ化エチレン、PTFE, テフロン)を筒状にし、急速に引き延ばし(expand)て、無数の亀裂を生じさせることによりePTFEを作成します。静脈再建、チアノーゼ性心疾患におけるシャント手術、慢性腎不全患者の透析治療用内シャント術、また下肢末梢動脈再建手術などに用います。

生体材料由来の人工血管：ヒトあるいは動物の血管をアルコール、グルタールアルデヒドなどで化学的に処理して抗原性を低下させることにより人工血管（代用血管）として用いることができます。臨床に使用すると、血栓で詰まりやすく、劣化しやすい欠点があるといわれています。

合成高分子材料製人工血管：内面に血栓を付着させない性質を持つ人工血管は、生体の内皮細胞も付着させ難い性質です。長期間開存させておくには人工血管と生体との移行部（吻合部）における生体側から伸びてくるパンヌスの安定性が重要です。

ハイブリッド人工血管：ハイブリッドとは、その構成において材料もしくは構造の違うものの組み合わせによることをいい、人工素材と生体素材が混成されて作られている人工血管をハイブリッド人工血管といいます。生体素材とは生体細胞、生体組織由来物質、血漿成分由来物質等を意味し、ハイブリッド人工血管の中には昔からある結合組織管の他に、組織工学を用いた人工血管が含まれます。

結合組織管-心棒をいれた繊維性管状物を皮下に数週間植え込み、自己の結合組織が管状物の繊維間隙に侵入するようにデザインした人工血管です。Sparksが開発したのが有名です。術野にて短時間で作成する結合組織管として、自家組織片播種型人工血管が開発され、臨床応用されました。　

2)サイズによる人工血管の分類

　胸腹部大動脈用の大口径（内径10mm以上）は布製が主流です。下肢、頸部、腋窩領域における動脈再建、特に大腿膝窩動脈の中口径（内径6、8mm）には布製及びePTFE製人工血管が多く使用されています。臨床での、中、大口径人工血管の成績に関してはほぼ満足できる状況にありますが、小口径（内径6mm未満）ではいまだに自己の血管より優れるものは開発されていません。　

3)　最近話題の人工血管

ステントグラフト

　ステントグラフトは，1991年にParodiが腹部大動脈瘤の治療に用いて以来，低侵襲治療法として注目されています。血管の瘤、閉塞および外傷といった病変の治療に用いられ、手術中に術野で入れる以外はX線透視下に用います。この方法は適応を選べば有用ですが、問題点として(1)治療後に漏れが残ることがある、(2)留置した後の瘤の拡大あるいは破裂に関する予後が不明、(3)肋間動脈再建ができない等があげられます。米国FDAのPublic Health Notificationとして2001年4月27日に”Problems with endovascular grafts for treatment of abdominal aortic aneurysm (AAA)”において問題点が示されています(http://www.fda.gov/cdrh/safety.htm)。
　

組織工学を用いた人工血管

　組織工学を用いた人工血管の種類はいろいろあります。これからもっと増えるでしょう。

患者の内皮細胞で内面を覆った人工血管（ａ）

患者の細胞･組織を人工血管に播いた人工血管（ｂ）、（ｃ）

患者の細胞を培養して作った人工血管（ｄ）、培養するときに物理的刺激を加えた人工血管（ｅ）　

ａ) Cell seeding
　内皮細胞を人工血管の内面に被覆することにより抗血栓性を賦与すれば、小口径人工血管の開存成績を向上させることができると考えました。1978年Herringらはイヌの静脈から採取した内皮細胞を人工血管に播種しました（seeding）。術野で採取した内皮細胞を播種(one-stage)するのに比べて、採取した細胞をin vitroで培養し、植え込み時には人工血管内面が内皮細胞で被覆されているように改良が加えられました（two-stage）。

ｂ)　内因性サイトカイン活性型人工血管
　人工血管壁に『細胞、サイトカイン、細胞外マトリックス』の3要素を導入することにより体内における治癒を促進させることができます。自家の脂肪、静脈、皮下結合組織、大網などの組織を細切し、布製人工血管に播種しました。この方法は組織に存在する多種類の細胞群及び細胞外マトリックスを生物活性と構成状態を保存したまま細分割して人工血管に移植する方法として理解できます。植え込み後２週間以内では人工血管壁内で分裂及び遊走している細胞は免疫組織学的にbasic fibroblast growth factor (bFGF, 線維芽細胞増殖因子)が陽性に染色されました。

ｃ) 機能する人工血管
　細胞がさまざまに分裂､変化する前の｢骨髄幹細胞｣を人工血管に注入してから､移植する方法が開発されました｡実験的に骨髄組織を人工血管に注入し､犬に移植したところ約1か月後には人工血管の内壁がすき間無く内皮細胞で覆われ、しかも造血機能をもちました｡すなわち機能する人工血管となりました。

ｄ)　再生血管
吸収性ポリマーが体の中で徐々に吸収されるという性質を利用しました。患者さんの細胞をあらかじめ採取して吸収性ポリマー製の足場(scaffolds)の上で培養し、これを人工血管として用いました。遠隔期には患者さん（宿主）の細胞が細胞外マトリックスを作り、新しい血管壁が構築されるようにデザインしました。患者さん自身の細胞を使ったので拒絶反応はなく､成長に合わせて大きくなることが期待されています｡2000年5月には日本にて臨床応用が開始されました。

ｅ)　培養人工血管
ヒト由来の材料を用いて、内膜、中膜、および外膜といった組織学的三層構造を持ち、正常な動脈に近い人工血管が体外で作られました。血管壁の構成因子を細胞レベルから人工的に組み立てることは、時間と費用がかかりますが技術的には可能です。

遺伝子導入した人工血管

　人工血管は遺伝子治療のための細胞移植の場を提供することが可能です。遺伝子導入には目的、機能、手段、効果持続期間といったデザインが重要です。内皮細胞に組み込む機能としては動脈硬化の予防、抗血栓性、内皮の増殖を抑制、血管拡張作用を目的として遺伝子を選ぶことができます。

終わりに

　人工血管の歴史は臨床的には1950年代から始まりやっと50年経過したにすぎません。人工血管は多くの人命を救ってきた実績がありますが、最先端の技術を用いた人人に優しい人工血管が期待されています。

人工腎臓

一般向け情報 — Tue, 25 Mar 2008 13:35:08 +0900

人工腎臓とは

　腎臓（じんぞう）は体内の老廃物や過剰な水分を取り出したり、血液が酸性へ傾かないように調節する重要な臓器です。何らかの理由で腎臓が働かなくなると、人間は生きていくことができません。

　腎臓の機能が低下すると、人工腎臓と呼ばれる装置で血液をきれいにしなくてはなりません。人工腎臓装置には色々な形式がありますが、最も広く使用されているのが、血液透析です。これは半透膜という特殊な膜を介して血液から水分や老廃物を取り除くとともに、血液が酸性にならないように、電解質の組成を調節する装置です。

血液透析の概念を図1に示しました。腕の血管に針を刺し、血液ポンプで連続的に血液を取り出します。この血液ポンプは、ローラーを柔らかいチューブに押しつけながら回転することによって血液を一方向へ送っています。血液をきれいにする部分が、ダイアライザーと呼ばれる用具です。このダイアライザーに空気が入ると効率が悪くなるので、空気が入らないようにエアートラップと呼ばれる筒をダイアライザーの前に付けています。患者さんの体内にも空気が入らないよう、ダイアライザーの後にもエアートラップを付けます。ダイアライザーでは半透膜を介して血液をきれいにしますが、その時に血液を洗う液体が必要です。これを透析液と呼んでいます。透析液の中には、血液の酸性度を調節する重炭酸ナトリウムが含まれています。透析液を正確にダイアライザーへ送ったり、半透膜を介して血液から過剰な水分を透析液側へ引き込むための装置がコンソールです。コンソールにはいろいろな警報も付いており、安全に血液透析ができるようになっています。　

ダイアライザーは長さが３０ｃｍほどの筒状になっており、その中にホローファイバーという極めて細い糸がⅠ万本も入っています（図２）。この糸はマカロニのように中心部に穴があいており、その穴の中を血液が流れ、糸の外側を透析液が流れます。糸は水や老廃物を通すように作られていますので、連続的に血液を送ることによって血液がきれいになります。実際の写真を図３に示しました。図４は筒を切って中の糸を出した状態です。

図１　血液透析の概念

図２　ダイアライザー

図３　実際に使用されているダイアライザー

図４　ダイアライザーを切った状態

糸にあいている孔の直径は０.２ｍｍです。糸の膜厚みはさらに一桁下の０.０２ｍｍぐらいです（図５）。

図５　ダイアライザー内に入っているホローファイバー

コンソールには図６のように血液ポンプや警報装置が組み込まれており、患者さんのすぐ脇に置いて血液をきれいにします。ダイアライザーもコンソールに取り付けます。血液透析は通常週２～３回、４～５時間連続して行います。血液を１分間に２００ｃｃぐらい取り出しますので、操作には専門の知識と熟練が必要です。腎臓が悪くなった患者さんは病院や人工透析施設へ通い、血液をきれいにしています。

図６　コンソール

人工肝臓

一般向け情報 — Mon, 24 Mar 2008 12:49:55 +0900

１．肝機能の代替をどのように行うか？

　生体の化学工場にたとえられる肝臓は，判明しているだけで500種類以上の代謝反応（化学反応）を行っているとされる．このような肝臓の機能を人工的な装置でオーバーオールに補うことは中長期的にみても極めて困難であり，生体の肝細胞を利用するしか手がないと考えられるようになった．肝細胞と人工装置の組み合わせであることから（バイオ）ハイブリッド型の人工肝臓と呼ばれる．現在では，人工肝臓といえば，ほぼこのバイオハイブリッド型が主流となっている．

　肝臓は３分の２を切り取っても２週間ぐらいで元の大きさに戻るという事実はあまりにも有名である．しかし，一旦体の外に取り出して，ばらばらにした肝細胞はほぼ全くといってよいほど増殖しない．生体外での増殖の可能性を示す基礎知見はあるが，人工肝臓に必要な多量の細胞を自由に得るためにはまだまだ研究が必要である．従って，正常のヒト肝細胞を得ることは現状では依然として難しい．生体外でも無限に増殖が可能なガン化したヒト肝細胞も多数あるが，いずれも正常肝細胞と比べると失ってしまっている機能が多く，また残っていたとしてもそのレベルが著しく低いものがほとんどである．結局，次善の策として動物を殺して正常肝細胞を得ることになる．ヒヒやチンパンジーの肝臓がヒトに移植される実験的治療が行われたことを憶えておられる方も多いことであろう．しかし，これらの動物はその価格が高く，また動物愛護といった社会的風潮からも，肝細胞採取のために殺すことには抵抗が大きい．結局，食用としての歴史ゆえか動物愛護の蚊帳の外に置かれているブタの肝細胞が最も広く使われている．低分子の解毒代謝などではこのように異種の細胞でも基本的な代謝反応は同じであることが多いが，例えばブタ肝細胞の合成するたんぱく質はブタ型であり，ヒト体内で正常な働きをしないことも多いと考えられている．しかしながら，現実的な選択としてもっぱらブタ肝細胞利用型のバイオハイブリッド人工肝臓がもっぱら研究され，特にアメリカでは精力的にヒト臨床応用が継続されている．

２．最も有名な人工肝臓

　ブタなどの動物を用いるバイオハイブリッド型の人工肝臓のヒトへの応用は，歴史的にに見ると１００例を優に超えている．現在，最も活発に臨床応用を続けているのは，ロサンゼルスのシダーズサイナイメディカルセンターのデミトリオ博士らのグループである．彼らは，主に肝移植待ちの患者の延命装置として，すばらしい成功を収めている．つまり，１日６時間程度の血漿還流治療を，ドナー肝臓が現れるまで２－３週間に数回行うことで，患者を延命し，移植につなぐことに成功している．

彼らの人工肝臓システムの概要を図１に示す．彼らは，ブタから採取した正常肝細胞を，まずマイクロキャリアーと呼ばれる直径０．２ミリ程度のビーズ表面に付着させ，それを透析などに用いられる細い糸のような中空の半透性膜（中空糸）を束ねたリアクターの中空糸の外側に詰めて，人工肝臓バイオリアクターとしている．患者の動脈から血液をポンプで連続的に取り出し，まず血漿分離器で血球成分と血漿成分とに分ける．これは，免疫を司っている種々の白血球が異種であるブタ細胞に触れるのを防ぐためである．血漿はまずリザーバーと呼ばれる血漿溜め一旦プールされ，そこから高速でバイオリアクターに導かれる．血液と違い血漿は赤血球を含まないので，酸素保持能力が著しく劣る．そこで，バイオリアクター内の肝細胞に十分な酸素を供給するために，酸素富化装置を置いている．この回路だけを高速で還流させるのも，肝細胞に酸素をよく供給することと，肝細胞の代謝能を十分に引き出すためである．また，これは彼らのシステムの特異な点であるが，バイオリアクターの前には，活性炭のカラムがおいてある．いまだに肝不全による昏睡状態の直接の原因は不明ではあるが，古くから中分子量の何らかの毒性物質が蓄積し，脳に障害を与えるとされてきた．そのため，肝不全治療として，血漿の活性炭吸着が行われた時代もある．彼らのシステムでの意義は明確にはされていないが，これらの毒性物質を取り除くことで，患者の治療効果を高めたり肝細胞の活性を高く保ったりするために有効であるかもしれない．このようにしてリザーバーの血液は浄化されたり必要な成分を補われたりして，患者に戻される．

（図１）

このシステムでは，移植待ち患者の移植までの延命装置として華々しい成功が得られているが，より重篤な肝不全患者（例えば移植の候補にすらならない患者）で，移植肝が最後まで得られなかった場合の救命率は著しく低いといった問題点がある．ひとつには，彼らのバイオリアクターの性能があまり高いとは考えられないことがその大きな理由であろう．彼らは全肝のほんの数パーセントの肝細胞しか固定化していないし，また肝細胞と血漿との物質交換はもっぱら液の流れを伴うのではなく，それぞれの物質の濃度差による拡散過程でしかおこなわれていない．患者側から見ていったい何パーセントの肝機能を補助しているかという視点で見ると，極めて不十分と言わざるを得ない．わが国での適用を考えると，移植肝が豊富に現れることはまずなく，できれば人工肝臓のみで生き残った患者本来の肝の再生を経て，真の回復に持ち込みたい．このためには，固定化肝細胞数を少なくとも全肝の10-20%にし，かつそれらを生体内にあるのと同レベル以上で能率よく血漿と接触さえてやる必要がある．

３．わが国で開発された人工肝臓

　我が国でもハイブリッド型の人工肝臓の研究は盛んで，大規模な動物実験に進んでいる研究グループをある．精力的に進めているグループの一つとして九州大学のそれが挙げられる．彼らは，ポリウレタンの多孔質体にブタ肝細胞を入れ，その中で肝細胞が自発的にスフェロイドと呼ばれる球状の凝集体が形成され，細胞あたりの機能が上昇することを基本に独自のバイオリアクターをデザインしている．すでに大動物での灌流治療実験を終えて，1999年秋に我が国では初めてヒト臨床治療への適用を想定して医学部倫理委員会への申請を行っている．ブタ細胞の使用に関しては，ブタの染色体に内在するレトロウィルスのヒトへの感染へのリスクが完全に否定できないことから，適用に関して同倫理委員会は，厳密なガイドラインを求めている．現時点（2002年2月）では，臨床は試みられていないが，近い将来にはガイドラインに沿った適用の機会が訪れるかもしれない．

　同グループは，より長期に使用可能な新たなデザインのバイオリアクターをも開発している（図２参照）これは生体内での肝細胞のミクロな配置を人工的に模倣したもので，基本的には中空糸モジュールに分類される．しかし，市販の中空糸の透析モジュールでは，中空糸間の間隔はあまり問題とされないが，そこに肝細胞を詰めるとなると，中空糸に面していない細胞への酸素や栄養素などの供給が問題となる．そこでかれらは，中空糸間に一杯に細胞を詰めても，最も内部の細胞への十分に酸素や栄養素が供給されるように，中空糸の間の間隔を100 μm単位で厳密にコントロールする新たなバイオリアクターを開発している．このデザインで，肝細胞同士が細長い凝集体を形成し細胞あたりの機能は向上，かつモジュール全体としての固定化密度も4.0X107 cells/cm3-reactor程度と極めて高密度となり，その機能も１ヶ月以上の長期にわたって保持されるという種々の利点を有している．その高いオリジナリティーが認められ，さる第39回日本人工臓器学会オリジナル賞を受賞した（協力：九州大学大学院工学研究院・化学工学部門・船津和守研究室）．

（東京大学生産技術研究所・酒井康行）

補助人工心臓

一般向け情報 — Mon, 24 Mar 2008 12:02:06 +0900

人工心臓って何？

我々の心臓は主に血液循環を司るポンプの役割を果たしています。全身から心臓に戻ってきた血液は肺循環に送り出された後、再び心臓に戻り、最後に全身へと送り出されています。この機能はまさに“ポンプ”です。

人工心臓とはそのポンプ機能を機械的に代行させるものです。人工心臓開発の発端は米国の心不全による死亡率の高さでした。１９６４年に連邦保健局に人工心臓プログラムが発足し、人工心臓（血液ポンプ）の開発が本格化しました。一方１９６７年には南アフリカで世界初の心臓移植が行われ、重症末期心不全の治療としての２本柱が出揃いました。

それぞれのプロジェクトはそれから紆余曲折を経ていくわけですが、もう少し最近の状況に話を進めましょう。

欧米を中心に人工心臓は大きく２種類が臨床応用されています。ひとつは自分の心臓（心室部分）を取り除いて、２つの血液ポンプに置換してしまうもので、完全置換型人工心臓といいます。もうひとつは自分の心臓は残して、左心室と呼ばれる場所から血液を脱血して大動脈へ返血する“左心補助心臓”と呼ばれるものです。（図１）

(図1)

人工心臓の目的は２つに分けることができます。ひとつは半永久的に人工心臓に依存して血液循環を維持するもの（永久使用）ともうひとつは心臓移植のドナー（心臓の提供者）が見つかるまでの一時的な使用を目的とするもの（ブリッジ使用）です。もちろん人工心臓開発の発端は永久使用を目的としたものでしたが、数々の問題のためになかなか長期使用に耐えうるものが完成しませんでした。特に１９８０年代初めに臨床使用された完全置換型人工心臓はメディアに大きく取り上げられ、その存在を世に知らしめました。しかしながら全例に脳血栓症をきたし、この技術の難しさも認識させられました。そんな中で末期重症心不全のもう一つの治療法である心臓移植は、技術的にも進歩を遂げ、治療法の一つとして確立されていきました。ところがドナー不足が深刻な問題となり、移植症例は頭打ちとなりました。そこで登場してきたのが移植までのつなぎ（ブリッジ使用）としての人工心臓の応用でした。１９９０年頃からはこのブリッジ使用としての左心補助心臓が主流となりました。当初は人工心臓本体が体内に植え込まれ、体外の大きな機械（コントローラーやバッテリーなど）とはケーブルで連結されていました。現在ではこの大きな機械は患者のウエストポーチサイズになり、バッテリーを交換することで外出も可能です。最終的にはコントローラーも体内に植え込まれ、バッテリーも体外からの充電式になる予定です。（図２）

（図２）

ブリッジという限られた期間の使用を積み重ねることによって人工心臓の技術は患者のQuality of Life（生活の質）を向上させるべく進歩しています。１９９０年代末頃からは永久使用を目的とした左心補助心臓の臨床応用が始まりました。

一方人工心臓本体は次世代の血液ポンプが開発されています。これまでのものは拍動型血液ポンプで、弁当箱くらいの大きさのために植え込みができる体格に制限があります。これに対して次世代のものはロータリーポンプと呼ばれるもので、羽根車の回転によって血液を送り出す仕組みです。主なタイプには遠心ポンプと軸流ポンプがあります。（図３）いずれも小型化が可能で、欧米に比べて小柄な日本人にも容易に植え込むことができます。特に軸流ポンプは２０００年からヨーロッパなどで臨床治験が始まっています。

（図３-1）

（図３-2）

人工心臓は重症末期心不全の治療方法として着実に進歩しています。特に米国における開発の創成期から現在に至るまで多くの日本人研究者が関わっており、日本の功績が大きい分野です。念願の日本発の人工心臓が実用化される日も近いでしょう。

バイオマテリアル（医用材料）

一般向け情報 — Mon, 24 Mar 2008 11:48:39 +0900

「バイオマテリアルとティッシュエンジニアリング」

１．ティッシュエンジニアリングとは

　人工臓器は、従来の汎用高分子や金属、セラミクスなどの材料を成形・加工して用いる方向から、細胞やその集合体である組織、器官、臓器の機能が明らかになるにつれ、細胞が本来有する生物的な機能を利用したバイオハイブリッド型人工臓器の開発へと発展している。さらに最近では、遺伝子工学、分子生物学、細胞工学などの台頭と医療分野への応用を考える中で、組織工学?ティッシュエンジニアリング?の重要性が認識され、その開発が急務となっている。英語でいうTissue Engineeringは国内では研究者によってさまざまな認識があり、研究のアプローチの仕方から、カタカナで単に「ティッシュエンジニアリング」という場合と、「組織工学」、「再生医療」、「再生医工学」、あるいは幹細胞（ES細胞など）を用いて組織の発生から制御し、構築しようという「発生工学」という日本語訳を用いて表現されている。いずれも、in vitro、あるいはin vivoで組織様構造を形成、再構築し、生体内で高機能の組織を再構成させることを主眼においている。この成功は、患者のQOLの向上につながる。Tissue engineeringを最初に提唱したVancantiによれば、「生体機能の回復、維持、改善を可能とする臓器、あるいは代用器官を工学、生命科学の協力の下で開発することを目的とする」研究分野である。生体組織は、肝臓や腎臓などにみられるように、複数種の細胞が作り上げる器官特異的な構造を有し、各器官に特長的な機能を発現している。病気などでその機能が失われたときに、新しく、あるいは補完として生体内、生体外で組織構造を再生・再構築する技術が組織工学の目指すところである。

２．バイオマテリアルとティッシュエンジニアリング

　生体組織は細胞だけから構成されているわけではなく、細胞が接着する足場としての細胞外マトリックス、さらに細胞の機能を発現するときに必須となる種々の生理活性物質からの刺激が組織を構成する。すなわち、最近注目されているES細胞などの幹細胞さえ自由に目的の細胞に分化できれば組織の補完・再生が成功するわけではなく、上記の３つが相補的に関わって適時に適当な刺激を受けることで組織が再生できることになる。この点からも細胞の足場、あるいは刺激物質としてのバイオマテリアルの研究なくしては組織工学は成立しない。

３．生分解性マトリクスを用いたティッシュエンジニアリング

　これまでに、人工材料上に生体細胞を培養してハイブリッド型人工臓器として生体に埋入することで部分的に生体機能を利用する研究が行われてきている。これは、組織工学の一部をなす研究である。この場合、細胞が接着する足場はその大きさが固定されており、かつ、材料の生体適合性が長期の利用に不可欠である。現状では、いったん埋入・移植した人工材料が一生、生体内で保持されることはほとんどない。また、大きさが変化しないことから小児に移植した場合は、成長にあわせて新しいものに換える手術が避けられない。そこで、生体由来、あるいは合成の生分解性高分子からなる足場を利用して細胞組織を構築すると、生体に生着する可能性があるばかりでなく、成長にともなって足場は分解される一方、組織は発達するので本来の組織と損分なく機能することが期待できる。実際、多孔性のポリ乳酸（写真１）で調製された基材に軟骨細胞を播種・培養することで、種々の軟骨組織が作成できる。人間の耳の形の組織がネズミの背中に生えている写真を見たことがある方もいるだろう。これは、ポリ乳酸の多孔性マトリクスを耳介型に作製し、ここに軟骨細胞を増殖させて作製したもので、組織工学の応用を例示している。このような細胞の足場には、ポリ乳酸ばかりでなく、ポリグリコール酸、ポリ?-カプロラクトン、などの生分解性ポリエステル類、コラーゲンやその熱変性体のゼラチン、多糖類のヒアルロン酸、蟹などの甲羅の成分であるキチン、藻類から採取されるアルギン酸など多岐にわたるマトリクスが利用されている。たとえば、多孔性のポリ乳酸に血管を形成する細胞を移植すると、細胞が再配列して生体中の血管構造と同等の構造を形成し、組織工学的に血管を調製できる。マトリクスのポリ乳酸は生体内で徐々に分解されつつ、生体のもつ再生能力で適当な足場に置き換わっていくために将来的に生体血管と見まがうことのない加齢とともに成長する血管が形成される。熱傷患者の皮膚移植のために切手大の患者の皮膚をコラーゲンからなる人工マトリクス上で培養し、はがき大の大きさにして移植する、という方法も形成外科領域では行われている。培養神経管、培養気管などもこのような手法によって再生されつつある。

４．「細胞シート工学」からのティッシュエンジニアリングのアプローチ

　生体組織の構造を見直すと、種々の細胞がシートを形成し、これが層構造をなして組織が構成されていることがわかる。そこで、種々の細胞を培養して細胞シートを構築し、これらのシートを重ね合わせることで組織様構造を形成する、「細胞シート工学」による組織構築の検討が推進されている。通常の細胞培養では、培養した細胞を培養基材から脱着・回収するのにトリプシンなどのタンパク質分解酵素とEDTAなどのキレート剤を併用して行われる。このとき細胞膜表面で機能を発現している膜タンパクも同時に傷害されるために、細胞組織が構築されたときに発現される機能がほとんどみられない、あるいは低下することがまま生起する。そこで、増殖した培養細胞を単層の組織として回収する手法が検討されている。このとき、酵素処理をすることなく細胞を脱着できる表面が必要となる。この目的のために、温度変化に応答して水中で溶解・不溶化変化を示すポリ（N-イソプロピルアクリルアミド）（PIPAAm）を化学的に結合させた表面が考えられた。この表面は37°Cの培養温度で細胞が接着・増殖する一方、温度を32℃以下にすると増殖した細胞は単層シートのまま脱着・回収できる（写真２）。このとき、脱着細胞の下面には培養液から、あるいは細胞自身が産生した細胞外マトリクス成分が存在し、これがあたかも「糊」のごとく作用するために、新しい基材にシートのまま再接着させることが可能である。この手法を用いれば、同種、異種機能を有する細胞シートに重層化させて細胞組織用構造を試験管内で形成でき、この組織は互いに協調して高い生理機能を発現することが明らかとなりつつある。東京女子医科大学と大阪大学との共同研究から心筋梗塞モデルの動物の心臓に、この手法で作製した重層化心筋細胞シートをあたかもセロハンテープを貼るかのごとく移植すると、心筋シートの持つ収縮性の結果、心機能が回復していることが確認された。また、皮膚移植にも応用可能で、倫理委員会の承認のもと、熱傷患者への表皮細胞シート移植が行われ、良好な回復を示していることが明らかとなりつつある。この手法は世界に先駆けて達成された手法であり、日本発の組織工学とそれを利用した治療システムが構築できることを示した好例である。

　このように、組織工学を利用した治療システムの構築は、今後ますます人工臓器分野や臨床分野で重要な位置を占めることになると考えられる。この成功と発展のためには、さらに遺伝子工学、分子生物学、細胞工学、材料工学、そして医学との密接な連携が重要であることは疑うまでもない。（菊池明彦）

人工肺

一般向け情報 — Mon, 24 Mar 2008 11:23:11 +0900

　人工臓器とは臓器機能を人工物にて代行するもので、体内などに埋め込まれて半永久的に使われるものもがあるが、人工肺のような人工臓器は生体肺の機能の一部を一時的に代行する目的で使用されている。生体肺の機能には血液に酸素を付与して、二酸化炭素を取り除くことが主なものであるがその他にもいくつかの機能がある。現在、一般的に人工肺と呼ばれているものは心臓手術の際にガス交換のみを行うものとして使われている。心臓疾患においては、生まれつき心臓の右心室と左心室を隔てる壁に孔が開いている疾患(心室中隔欠損症)、心臓の弁が機能しなくなった疾患、心臓に血液を流す血管(冠動脈)が狭窄したり閉塞した疾患(狭心症、心筋梗塞)などがあり、このような疾患において孔を閉鎖したり、弁を交換したり、他の血管でバイパスする必要な場合があり、心臓に直接外科的処置として手術が行われている。このような手術では、心臓に流れている血液を遮断して、血液が処置の妨げにならないようにする必要がある。

　血液の循環は心臓の拍動により行われるが、心臓の左心室で拍出された血液は動脈から全身の組織へと流れる。それぞれの臓器組織において血液は酸素を供給し、二酸化炭素を取り込むことによりガス交換が行われる。ガス交換された血液は静脈に送り出され、心臓の右心房へと戻る。右心房から右心室へ流れた血液は肺へ拍出され、肺で二酸化炭素を排出し、酸素を取り込むガス交換が行われる。肺から左心房へ流れた血液は左心室へと戻り、再び循環する。このような循環で1分間あたり5000～6000ml（成人の場合)の血液が循環している。

　先の述べた心臓外科手術を行う場合、本来であれば心臓に流れている血液のみを遮断すれば手術が可能である。しかしながら、心臓のみを遮断する場合は心臓付近の４ヶ所にカニューレと呼ばれる管を取り付ける必要があり、煩雑な操作となる。また、そのようなカニューレがあることにより手術そのものの妨げになる。よって、大静脈に戻ってきた血液をカニューレより取り出し(脱血)、心臓と肺の代行を行う人工心肺装置を循環して大動脈に送り返す（送血）ことにより手術が行われている。このような操作は体外循環と呼ばれ、人工肺により血液に酸素が添加され、二酸化炭素が除去されることにより全身組織の代謝が維持できることになる。体外循環が行われるのは手術中で平均２時間程度の数時間である。

　体外循環の血液の流れは、上大静脈、下大静脈にそれぞれ挿入された脱血カニューレと呼ばれる２本の管（場合によっては１本）より体外へ取り出され、チューブの中を流れて、リザーバーと呼ばれる槽に一旦貯められる。脱血カニューレとリザーバーの間には血液の濃度や酸素の濃度をモニターするセンサーなどが付けらていることが多い。リザーバーに貯まった血液を遠心ポンプ、ローラーポンプと呼ばれるポンプ（心臓の役割を果たす）により人工肺まで送り込まれる。人工肺はガス交換を行うとともに血液の温度を変える熱交換器と呼ばれえるものがある。心臓手術では臓器組織の代謝を下げるために体温を下げて行われることが多い。全身の体温を３０度位にまで下げると通常の５～６割程度の代謝量となり、それだけ酸素を供給する必要がなくなる。熱交換は金属などを介して温水や冷水を流して行われる。人工肺で酸素と二酸化炭素のガス交換が行われた後、送血カニューレから大動脈に戻される。人工肺と送血カニューレの間には動脈フィルターと呼ばれるものが組み込まれ、血液中の異物を取り除くためのものである。異物とは、血液が固まってしまった血栓や混入した気泡などである。動脈に戻った血液は全身への組織へ酸素を供給し、再度、体外循環となる。体外循環で１分間あたり4000ml（成人の場合）の血液が流れている。心臓に外科的処置をしている間は心臓からも出血が起こり、この血液が手術操作の妨げになるとともに血液を無駄にしないために回収操作が行われる。ローラーポンプにより吸引して、フィルターで濾過し、リザーバーに戻される。また、拍動を停止した心臓組織にダメージを与えないため、温度を下げ、薬を投与するために心臓に心筋保護液と呼ばれるものが心臓に循環されている。この体外循環装置の血液の流れるところにはあらかじめ液で充たしておく（プライミング操作）必要がある。プライミング液は1000ml以上（成人の場合）になり、血液などが使われることもあるが主に代用血漿と呼ばれる薬が使われる。つまり血液が希釈された状態で体外循環が行われる。この希釈された血液を濃縮するためにヘモコンセントレーターというものも使われている。

　このような人工肺を用いた心臓外科手術は1953年に米国のギボンによって世界で初めて行われ、心房中隔欠損症と呼ばれる心臓の右心房と左心房を隔てる壁に孔の開いた疾患を治療するために手術が行われた。日本においては1956年に初めて心臓手術が行われた。心臓外科手術は1960年代より世界中で行われるようになり、現在では年間で100万症例以上の手術が行われている。この期間、心臓手術の変遷とともに人工肺も様々な変化をしてきた。初期の人工肺は血液の中に酸素の泡を流したりして直接的な接触により酸素と二酸化炭素のガス交換が行われた。しかしながら、このような人工肺は血液に対するダメージが大きかったため手術後の合併症が起こり易いなどの問題があった。その後、より生体の肺に近い機構である膜を介してガス交換を行う人工肺が研究され、1980年代からは中空糸膜を用いた人工肺が広く使われるようになった。この人工肺の膜は内外径が0.2～0.3mm程度のストロー状のもので多数の微細孔を有したものである。血液が中空糸の内側を流れ、ガスが外側を流れることにより膜を介して酸素と二酸化炭酸が移動するが、この微細孔は血液が通過することなくガスのみを通過させることにより安定したガス交換が行われる。現在もこのような中空糸膜を用いた人工肺が多く使用されているが、より効果的なガス交換を行うために中空糸の外側を流れるものへと変わっている。

　人工肺の膜素材は主にポリプロピレンなどの材料が用いられているが、血液がこのようなものに接触すると生体反応として血液が固まってしまうという問題が起こる。このような血液凝固を回避するためにヘパリンと呼ばれる薬剤などを投与することにより体外循環が可能になっている。しかしながら、血液凝固が起こらない状態であっても血液にとって異物である人工材料は生体防御反応としていくつかの問題を惹き起こしているのが現状である。血液が接触する人工臓器の全てがこのような問題に直面しており、この問題を解決するために多くの研究が行われてきた。そのひとつの解決策として人工肺表面にに生体適合性材料をコーティングする技術がある。現在、そのような技術が臨床で使用され、治療効果を高めている。今後も心臓疾患治療の進歩とともに人工臓器の研究開発が進むものと思われる。

人工臓器とは？

一般向け情報 — Mon, 24 Mar 2008 10:32:20 +0900

心臓、肺、肝臓、腎臓などの内臓の機能が損なわれると種々の病気になり、重い場合には生命の危機にさらされます。人工臓器は、このような病んだ臓器の代行を目的として開発されたもので、さまざまな治療を通じて機能の補助が行われています（詳しくは、良くあるご質問（FAQ）のQ1-A1をご参照下さい）。一口に人工臓器といっても、わが国だけでも３０万人近い患者さんの命を救っている人工腎臓（血液透析など）から、人工肝臓のように臨床使用されていないものまで、さまざまです。それぞれの人工臓器の特徴については図の下の項目をクリックしてください。

人工肺