細胞シート・組織工学とは？角膜で実用化し、心筋で届かなかった理由

細胞シート・組織工学生きた細胞・足場材料・生体因子を組み合わせ、機能を持つ組織を体外で構築する技術領域。は、培養した細胞から立体的な組織をつくる技術で、細胞シートは、培養皿の温度を下げるだけで細胞を一枚のシートとして回収する方法です。角膜では製品として承認されましたが、心筋に貼るハートシートは本承認に届かず、販売を終えました。

ただし、技術の完成度と、治療としての有効性の実証は別々に決まります。組織が違えば、シートに期待する働きも、効いたかどうかの測り方も変わるためです。

この記事では、角膜と心筋で結果が分かれた理由、温度応答性培養皿の仕組み、細胞シート・足場・オルガノイド・バイオプリンティングの違い、厚い組織で品質を確かめる方法を順に説明します。

1. 角膜は製品になり、心筋は届かなかった：臨床の分かれ目はどこにあったのか？

同じ細胞シートでも、角膜と心筋で結果は分かれました。

角膜では、2004年にNishidaらが、患者自身の口腔粘膜から採った上皮細胞をシートにして、傷んだ角膜の表面に移植した結果をNew England Journal of Medicineに報告しました。4人の患者で視力が改善し、合併症の報告はありませんでした。

その後、2020年3月には、富士フイルム子会社のJ-TECによる自家培養角膜上皮「ネピック」が、国内初の眼科領域の再生医療等製品として承認されています。

心筋では、テルモのハートシートが、患者自身の骨格筋から作った細胞のシートを心臓の表面に貼る治療として、2015年9月に条件及び期限付承認を受けました。条件は、使った全症例を対象にした製造販売後の調査で、期限は5年でした。期限は2019年にさらに3年延長され、テルモは2023年9月に本承認を申請しました。

2024年7月19日、厚生労働省の部会は、使用成績調査と臨床研究の結果から「有効性は示されていない」と判断しました。安全性に新たな問題は見つかっていません。7月24日に薬事審議会も承認は適切でないとし、テルモは販売を終了して、承認は7月25日付で整理されました。

何が違ったのか。分かれ目は、組織の違いにあります。

• 角膜⁠：薄く、血管のない組織です。シートは、傷んだ表面を覆い直すという直接的な働きをします。
• 心筋⁠：厚く、拍動し続ける組織です。骨格筋由来の細胞が心筋細胞に置き換わるのではなく、シートから出る因子が血管の新生や心機能を支えるという、間接的な効果が想定されていました。

効果が間接的だと、効いたかどうかを何で測るか。それを決めること自体が難しくなります。

条件及び期限付承認は、市販後のデータで有効性を確かめる前提の制度です。ハートシートは、その確認の結果が出た事例といえます。

2. 剥がれ方は膜厚で決まる：温度応答性培養皿はどう働くのか？

細胞シートをつくるのに使うのは、培養皿の表面に高分子のPIPAAm（ポリ-N-イソプロピルアクリルアミド）をつけた温度応答性培養皿です。37℃では表面が疎水性で細胞が接着し、32℃を境に親水性に変わって、細胞が自然にはがれます。

酵素で細胞を一つずつはがす必要はありません。培養皿の温度を下げるだけで、細胞を一枚のシートとして回収できます。この仕組みは1993年にOkanoらが報告したもので、CellSeedが商品化し、Thermo Fisher ScientificがNunc UpCellとして扱っています（温度応答性培養皿）。

この皿の性能は、十数ナノメートルの膜厚で決まります。15〜20 nmの範囲なら、37℃で細胞がしっかり接着し、32℃以下で速やかにはがれます。ところが30 nmを超えると、37℃でも細胞がほとんど接着しません。

薄すぎれば剥離を制御できず、厚すぎれば細胞が接着しない。膜厚が範囲を外れた皿は、温度応答性培養皿として働きません。剥がれる速さは下地でも変わり、平らなポリスチレンより、多孔質の膜にグラフトした表面のほうが、2倍以上速くはがれたという報告があります。

購買や品質保証の側では、ロットごとの膜厚の管理と、保証されている性能が何かを、メーカーに聞いておく必要があります。

3. 形を何が決めるか：シート、足場、オルガノイド、バイオプリンティングは何が違うのか？

細胞シートは、組織を立体にする方法の一つで、形を何が決めるかによって、四つに分けられます。

足場には、コラーゲンのスポンジ、脱細胞化した組織、PLGAのような合成高分子、ハイドロゲルがあり、軟骨のような硬い組織には硬い足場、皮膚のような柔らかい組織には柔らかいゲルを合わせます。細胞を大量に増やす場面では、ビーズに細胞を付けて撹拌培養するマイクロキャリア培養液中に浮遊させる微小なビーズで、その表面に接着細胞を付着させ、撹拌培養で大量に増やすための担体です。詳しく →も足場の一種です（マイクロキャリア培養）。

分解する足場では、細胞が自前のマトリックスをつくる速さと、足場が分解する速さの釣り合いが品質を左右します。足場が先に消えれば構造が崩れ、分解が遅すぎれば異物として残ります（足場材・スキャフォールド）。

オルガノイドでは、基底膜マトリックスの中に幹細胞を包み、成長因子を与えると、腸や肝臓、腎臓の微細構造の一部が自発的にできます。形は装置ではなく細胞の自己組織化で決まるため、造形の精度という考え方がありません。

注意が要るのは、定番のマトリックスの多くがマウスの肉腫由来で、ロットごとにばらつきがあり、研究用であることです。結果の再現性を求めるほど、マトリックスと成長因子のロット管理が結果を左右します（オルガノイド培養キット）。

バイオプリンティングは逆に、プリンターで形を外から指定します。押し出し方式は、細胞に加わるせん断応力撹拌や通気で細胞にかかる引きちぎる力。強すぎると細胞が傷つくため制御が要る。詳しく →（液を押し出すときにかかる力）で生存率が下がりやすい。インクジェット方式は解像度が高い反面、使えるインクに制約があります。解像度と生存率のどちらを優先するかで、方式が決まります（バイオインク）。

オルガノイドは形を細胞の自己組織化に任せて微細構造を再現し、バイオプリンティングは形を外から決めて自由度を得ます。どちらが優れているかではなく、何を優先するかで選びます。

4. 厚い組織の壁：血管化と品質確認は、なぜ難しくなるのか？

どの手法でも、組織が厚くなるほど、二つの課題が大きくなります。

一つ目は血管化です。組織の内部まで酸素と栄養が届かないと、組織は中心から壊死します。

大型のバイオプリント組織でも、血管網の欠如による壊死が根本の課題として整理されています（大型バイオプリント組織の精度向上）。そのため、シートを重ねて血管網を含む厚い組織をつくる研究や、造形の段階で血管の構造を作り込む研究が進んでいます。

二つ目は、壊さずに確かめる手段が乏しいことです。シートを1枚はがして観察するだけなら簡単でも、厚く積んだ組織や、足場の内部まで細胞が入った組織は、切片にして染めれば製品を失います。

では、どう確かめるのか。工程の中で、播種したときの細胞数と生存率細胞集団のうち生きている細胞の割合。凍結・培養の品質を示す基本指標。詳しく →、培養の各段階での分化マーカー、足場やマトリックスや成長因子のロットを記録しておきます。

厚みを追うほど、品質保証の重心は、最終製品の検査から工程の記録へ移ります。

5. 明日から確かめられること：組織工学の資料を読むとき、何を見るのか？

論文や、メーカー、受託先の資料で組織工学の手法が出てきたら、次の点を確かめます。

• 組織の厚さ⁠：目的の組織が薄いか厚いか。血管の少ない組織か。
• 期待する働きと指標⁠：シートや細胞に期待されている働きは、組織の置き換えか、周りへの働きかけか。効果をどの指標で測っているか。
• 手法ごとの管理⁠：足場なら、足場が分解する速さと、組織が自前のマトリックスをつくる速さが合っているか。オルガノイドならマトリックスと成長因子のロット差の管理、バイオプリンティングなら解像度と生存率のどちらを優先したかと、印刷後の生存率を実測しているか。
• 壊さずに確かめる方法⁠：最終製品を壊さずに確かめる方法があるか。無ければ、工程の中で何を記録しているか。
• 臨床での実績⁠：その組織で、臨床での実績がどの段階まで進んでいるか。

関連して、間葉系幹細胞の製造はMSCの製造に、オルガノイドの創薬での使い方はオルガノイドとin vivo薬効モデルにあります。

参考文献

• Okano T, et al. A novel recovery system for cultured cells using plasma-treated polystyrene dishes grafted with poly(N-isopropylacrylamide). J Biomed Mater Res. 1993;27(10):1243-1251.（温度応答性培養皿の原理）
• Kwon OH, et al. Rapid cell sheet detachment from poly(N-isopropylacrylamide)-grafted porous cell culture membranes. J Biomed Mater Res. 2000;50(1):82-89.（多孔質膜での剥離の速さ）
• Nishida K, et al. Corneal reconstruction with tissue-engineered cell sheets composed of autologous oral mucosal epithelium. N Engl J Med. 2004;351(12):1187-1196.
• Sawa Y, et al. Safety and Efficacy of Autologous Skeletal Myoblast Sheets (TCD-51073) for the Treatment of Severe Chronic Heart Failure Due to Ischemic Heart Disease. Circ J. 2015;79(5):991-999.
• Terumo, HeartSheet 承認および国内販売に関するニュースリリース（2015年9月）
• 厚生労働省 薬事審議会 再生医療等製品・生物由来技術部会（2024年7月19日）、薬事審議会（2024年7月24日）の審議結果、およびテルモの発表（2024年7月20日）
• PMDA, 再生医療等製品の条件及び期限付承認制度