組織工学の手法を用いた新しい分岐部人工気管の開発

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25253082
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 中村 達雄 京都大学, 再生医科学研究所, 准教授 (70227908)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 再生医学 / コラーゲン / 場の理論 / 人工気管 / 気道再建 / 組織再生 / 呼吸器外科 / 気管分岐部

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、胸腔内でも安全に使用し得る分岐部人工気管を開発することであった。
1940年代から人工気管による気道再建研究がはじまったが、現在なお臨床に安全に使い得る人工気管は世界的にも皆無である。我々は生体親和性の高いコラーゲンのコンポジットを用いて代用気管を作製し、動物実験において有用性・安全性を確認してきた。その結果2002年より京都大学医学部・福島県立医科大学倫理委員会の審査を経て、現在までにすでに20例以上の患者に自己組織再生型人工気管を使用して良好な結果を得ている。しかしながらこれらは耳鼻科領域の頸部気管の再建であるため、胸部外科領域の再建、すなわち気管分岐部や左主気管支幹において使える安全性の高い人工気管の開発を行いたいと考えた。
そこで、本研究においては平成26年度にコラーゲン部分の改良で代用気管の生体親和性の向上と改良を行なった。胸部外科領域、とりわけ胸腔内での置換に耐え得る代用気管の完成を目指すとともに、上皮化の促進のために組織幹細胞の応用と新たな術式を検討した。
本研究は、最近の組織幹細胞を使う新しいin situ Tissue Engineeringであり、ES細胞や脳死移植など倫理的に高いハードルのある技術を使っていない。このため直ちに臨床応用が可能である。本研究はその第一歩となる必要不可欠な動物実験であり、胸部外科領域の応用研究としては世界初の試みであった。
ポリプロピレンとアテロコラーゲンを複合化させたY字型の人工気管の改良を行った。これによって従来より早期に自己組織化ができることを確認した。ビーグル犬を用いた埋殖実験で手術手技や術中換気システムを完成させた。これらの新所見は今後の開発に貢献できるものと考えている。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

1.大型実験動物としてビーグル犬を用いて、新しく開発した人工気管による気道再建実験でその安全性と臨床効果を確かめる。人工気管はこれまで我々が開発して、耳鼻科領域の頸部気管の再建に臨床使用しているコラーゲンとポリプロピレンメッシュの複合材のコラーゲン部分を薄フィルム多房構造のコラーゲンに改良し、さらにビーグル犬の組織由来幹細胞を含漬させることにより上皮化・組織化は促進できるか評価する。再建部位はまず気管分岐部で行う計画であった。
2.新しい代用気管の作成に関しては、代用気管のコラーゲン部分を従来のアモルファスコラーゲンから新たに開発した薄フィルム多房構造に改良して、組織再生を促進させることに成功した。さらにステントの形状を改良して、現在は螺旋状に入っている輪状やＵ字型のステントを一体成形させた代用気管を試作する。縦隔内気管再建に耐える気密性のある代用気管にするため、コラーゲンの密度を向上させ剥離しにくい構造にできた。
3.組織幹細胞の応用による上皮化・組織化の促進に関しては、再生組織工学の手法をもちいて自己骨髄より組織幹細胞を術前に増殖させておき、気管再建手術時に代用気管のコラーゲン部分に散布することによって早期の組織化や上皮化が起こることを確かめることができた。
4.分岐部人工気管の設計と術式の開発に関しては、分岐部人工気管、加えて７ｃｍ～１０ｃｍの長い人工気管を設計し、中央部の力学強度が保持でき、かつ組織化が早く進むような構造のものを開発した。動物実験用の左主気管支用の代用気管も同時に作成し、安全な手術術式を検討する。再建では、右後側法で肺門背側からのアプローチと左開胸で大動脈の後方からアプローチする術式を比較することができた。
5.幹細胞を使った実験系に関しては、これまでの経験を生かして今後新しい実験系をデザインして行きたいと考えている。

Strategy for Future Research Activity

①本研究において明らかになった気管分岐部の再建における問題点を解決して、臨床で安全に用いることのできる人工気管の開発を推進する予定である。具体的には、気管分岐部という特殊な解剖学的位置にある臓器なので、手術で再建するには縫合時の換気をどうやって確保するかという問題が外科的に大きいことが判明した。これは通常の方肺換気だけでは対処不可能なため、術野挿管などの技術を駆使する必要があった。
②TGF-b, b-FGF, HGFによる上皮形成促進実験、すなわち組織化を促進すると考えられるiPS細胞とサイトカイン（TGF-b, b-FGF, HGF）を代用気管のマトリックス部分に複合化する技術も実用化に向けて進めていきたい。
③血管柄つき遊離移植術式の完成も今後進めたい方策である。再建部周囲に血流が乏しく組織化が遅れると生命に関わる症例にはあらかじめ大網内に埋殖して組織させた代用気管を用いる術式の方が安全と考えられる。そういった術式にも対応できるような新しい人工気管手術を完成させることが急務であろう。
④臨床応用の開始に向けては、動物実験で長期の安全性と効能の確かめられた新型代用気管モデルを、大学病院内の倫理委員会の承認を得たのち、臨床応用したいと考えている。

Research Products

• [Journal Article] Autologous bone marrow mononuclear cell transplant and surgical decompression in a dog with chronic spinal cord injury. (2015)
  • Author(s): Tamura, K., Harada, Y., Kunimi, M., Takemitsu, H., Hara, Y., Nakamura, T., Tagawa, M.
  • Journal Title: Exp Clin Transplant. Volume: 13 Pages: 100-5
  • DOI: 10.6002/ect.2013.0237.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mobile locally operated detachable end-effector manipulator for endoscopic surgery. (2015)
  • Author(s): Kawai, T., Shin, M., Nishizawa, Y., Horise, Y., Nishikawa, A., Nakamura, T.
  • Journal Title: Int J Comput Assist Radiol Surg Volume: 10 Pages: 161-9
  • DOI: 10.1007/s11548-014-1062-4.
• [Journal Article] Biocompatibility and Efficacy of Collagen/Gelatin Sponge Scaffold With Sustained Release of Basic Fibroblast Growth Factor on Vocal Fold Fibroblasts in 3-Dimensional Culture. (2015)
  • Author(s): Hiwatashi, N., Hirano, S., Mizuta, M., Tateya, I., Kanemaru, SI., Nakamura, T., Ito, J., Kawai, K., Suzuki, S.
  • Journal Title: Ann Otol Rhinol Laryngol. Volume: 124 Pages: 116-25
  • DOI: 10.1177/0003489414546396.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A rigid and bioabsorbble material for anterior chest wall reconstruction in a canine model. (2015)
  • Author(s): Hamaji, M., Kojima, F., Koyasu, S., Nobashi, T., Tsuruyama, T., Date, H., Nakamura, T.
  • Journal Title: Interact Cardiovasc Thorac Surg. Volume: 20 Pages: 322-328
  • DOI: 10.1093/icvts/ivu416.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A synthetic bioabsorbable sheet may prevent postoperative intrapleural adhesions following thoracotomy: a canine model. (2014)
  • Author(s): Hamaji, M., Kojima, F., Komatsu, T., Tsuruyama, T., Date, H., Nakamura, T.
  • Journal Title: Interact Cardiovasc Thorac Surg. Volume: 19 Pages: 914-920
  • DOI: 10.1093/icvts/ivu299.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development of a composite and vascularized tracheal scaffold in the omentum for in situ tissue engineering: a canine model. (2014)
  • Author(s): Hamaji, M., Kojima, F., Koyasu, S., Tsuruyama, T., Komatsu, T., Ikuno, T., Date, H., Nakamura, T.
  • Journal Title: Interact Cardiovasc Thorac Surg. Volume: 19 Pages: 357-362
  • DOI: 10.1093/icvts/ivu177
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Collagen fleece failed to prevent intrapleural adhesions in a canine model: failure of murine models to translate into a large animal model. (2014)
  • Author(s): Hamaji, M., Kojima, F., Nakamura, T.:
  • Journal Title: Gen Thorac Cardiovasc Surg. Volume: 62 Pages: 202-203
  • DOI: 10.1007/s11748-013-0369-3
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Modified Robicsek procedure for pectus excavatum in adult patients. (2014)
  • Author(s): Hamaji, M., Hiraoka, K., Jaroszewski, DE., Deschamps, C.
  • Journal Title: Interact Cardiovasc Thorac Surg. Volume: 18 Pages: 611-614
  • DOI: 10.1093/icvts/ivt555.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The outcome of pulmonary resection for invasive fungal infection complicating haematological malignancy. (2014)
  • Author(s): Hamaji, M., Cassivi, SD., Shen, KR., Wigle, DA., Allen, MS., Nichols, FC., Deschamps, C.
  • Journal Title: Eur J Cardiothorac Surg Volume: 45 Pages: e1-5
  • DOI: 10.1093/ejcts/ezt518.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effect of astaxanthin on vocal fold wound healing. (2014)
  • Author(s): Mizuta, M., Hirano, S., Ohno, S., Hiwatashi, N., Tateya, I., Kanemaru, S., Nakamura, T., Ito, J.
  • Journal Title: Laryngoscope. Volume: 124 Pages: E1-7
  • DOI: 10.1002/lary.24197.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Restoration of scarred vocal folds using 5 amino acid-deleted type hepatocyte growth facto (2014)
  • Author(s): Mizuta, M., Hirano, S., Ohno, S., Kanemaru, S., Nakamura, T., Ito, J.
  • Journal Title: Laryngoscope. Volume: 124 Pages: E81-86
  • DOI: 10.1002/lary.24413.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effect of AST on age-associated changes of vocal folds in a rat model. (2014)
  • Author(s): Mizuta, M. Hirano, S., Hiwatashi, N., Kobayashi, T., Tateya, I., Kanemaru, S., Nakamura, T., Ito, J.
  • Journal Title: Laryngoscope. Volume: 124 Pages: E411-417
  • DOI: 10.1002/lary.24733.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Pharmacokinetics and safety of human recombinant hepatocyte growth factor administered to vocal folds. (2014)
  • Author(s): Mizuta, M., Hirano, S., Kishimoto, Y., Hiwatashi, N., Tateya, I., Kanemaru, S., Nakamura, T., Ito, J.
  • Journal Title: Laryngoscopoe. Volume: 124 Pages: 2131-2135
  • DOI: 10.1002/lary.24690.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Adipose-derived stem cells versus bone marrow-derived stem cells for vocal fold regeneration. (2014)
  • Author(s): Hiwatashi, N., Hirano, S., Mizuta, M., Tateya, I., Kanemaru, S., Nakamura, T., Ito, J
  • Journal Title: Laryngoscope. Volume: 12 Pages: E461-469
  • DOI: 10.1002/lary.24816.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Anorectal autotransplantation in a canine model: the first successful report in the short term with the non-laparotomy approach. (2014)
  • Author(s): Araki, J., Nishizawa, Y., Nakamura, T., Sato, T., Naito, M., Hatayama, N., Hirai, S., Tashiro, K., Koshima, I.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 4 Pages: 6312
  • DOI: 10.1038/srep06312
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A novel surgical marking system for small peripheral lung nodules based on radio frequency identification technology: Feasibility study in a canine model. (2014)
  • Author(s): Kojima, F., Sato, T., Takahata, H., Okada, M., Sugiura, T., Oshiro, O., Date, H., Nakamura, T.
  • Journal Title: J Thorac Cardiovasc Surg Volume: 147 Pages: 1384-1389
  • DOI: 10.1016/j.jtcvs.2013.05.048.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development of a novel marking system for laparoscopoic gastrectomy using endoclips with radio frequency identification tags: feasibility study in a canine model. (2014)
  • Author(s): Kojima, F., Sato, T., Tsunoda, S., Takahata, H., Hamaji, M., Komatsu, T., Okada, M., Sugiura, T., Oshiro, O., Sakai, Y., Date, H., Nakamura, T.
  • Journal Title: Surg Endosc. Volume: 28 Pages: 2752-2759
  • DOI: 10.1007/s00464-014-3501-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 生体内組織再生誘導型の人工気管 (2014)
  • Author(s): 大森孝一、多田靖宏、野本幸男、谷亜希子、仲江川雄太、金丸眞一、中村達雄
  • Journal Title: Surgery Frontier Volume: 21 Pages: 31-37
• [Journal Article] 〈特集 みみ・はな・のどの局所薬物療法〉喉頭腫瘤性病変に対する局所薬物療法 (2014)
  • Author(s): 多田靖宏, 仲江川雄太, 大森孝一
  • Journal Title: ENTONI Volume: 168 Pages: 57-62
• [Journal Article] Regenerative treatment for soft tissue defects of the external auditory meatus. (2014)
  • Author(s): Kanemearu, S., Umeda, H., Kanai, R., Tsuji, T., Kuboshima, F., Yamamoto, M., Hirano, S., Nakamura, T.
  • Journal Title: Otol Neurotol. Volume: 35 Pages: 442-448
  • DOI: 10.1097/MAO.0b013e3182a361e6.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] インプラント周囲炎モデルにおける骨吸収の経時的変化～HAとチタンによる違い～． (2014)
  • Author(s): 中村浩樹、松野智宣、中村達雄、又賀 泉
  • Organizer: 第18回日本顎顔面インプラント学会総会・学術大会
  • Place of Presentation: 出雲
  • Year and Date: 2014-11-29 – 2014-11-30
• [Presentation] The way to the practical use of artificial trachea as medical equipment on the basis of Japanese regulations. (2014)
  • Author(s): Nakaegawa, Y., Tada, Y., Nakamura, T., Omori, K.
  • Organizer: The 9th East Asian Conference on Phonosurgery
  • Place of Presentation: Taipei
  • Year and Date: 2014-11-29
• [Presentation] インプラントの表面性状の違いが実験的インプラント周囲炎に及ぼす影響． (2014)
  • Author(s): 中村浩樹、松野智宣、中村達雄、又賀 泉
  • Organizer: 第59回 公益社団法人 日本口腔外科学会総会・学術大会
  • Place of Presentation: 千葉
  • Year and Date: 2014-10-17 – 2014-10-19
• [Presentation] Verify the effect on nerve regeneration from increased blood flow in the nerve control area due to stellate ganglion blocks. (2014)
  • Author(s): Shigeno, K., Shionoya, Y., Kaneko, M., Wakatsuki, M., Nakada, A., Honda, M., Kojima, F., Sato, T., Inada, Y., Kanemaru, S., Nakamura, T.
  • Organizer: 41th Annual ESAO Congress
  • Place of Presentation: Roma
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [Presentation] Bone repairing in the canine frontal sinus implanted octacalcium phosphate and collagen composite (II). (2014)
  • Author(s): Kaneko, M., Wakatsuki, M., Shigeno, K., Nakada, A., Nakamura, T.
  • Organizer: 41th Annual ESAO Congress
  • Place of Presentation: Roma
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [Presentation] 肛門機能における陰部神経の役割-陰部神経切離・吻合モデルの検討-． (2014)
  • Author(s): 西澤祐吏、齋藤典男、伊藤雅昭、中村達雄、荒木淳、内藤宗和
  • Organizer: 第20回大腸肛門機能障害研究会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2014-09-08
• [Presentation] Generation of ciliated epithelium derived from mouse indeuced pluripotent stem cells. (2014)
  • Author(s): Omori, K., Otsuki, K., Yoshie, S., Imaizumi, M., Nomoto, Y., Nakamura, T.
  • Organizer: The 61th CORLAS Meeting.Istanbul
  • Place of Presentation: Istanbul
  • Year and Date: 2014-08-24
• [Presentation] Comparison of hydroxyapatite-coated implant with titanium implant in experimental peri-implantitis. (2014)
  • Author(s): Nakamura, H., Matsuno, T., Nakamura, T., Mataga, I.
  • Organizer: The 9th Congress of the Asian Academy of Osseointegration.
  • Place of Presentation: 札幌
  • Year and Date: 2014-07-04 – 2014-07-05
• [Presentation] Development of new artificial nerve: Influence of sodium chloride in the scaffold. (2014)
  • Author(s): Nakamura, T., Kojima, F., Sato, T., Hamaji, M., Kaneko, M., Kanemaru, S., Nakada, A., Omori, K., Shigeno, K., Wakatsuki, M., Endo, K.
  • Organizer: ASAIO 60th Annual Conference
  • Place of Presentation: Washington, DC
  • Year and Date: 2014-06-18 – 2014-06-21
• [Presentation] Effect of astaxanthin on the age-associated change of vocal folds in a rat model. (2014)
  • Author(s): Mizuta, M., Hirano, S., Kobayashi, T., Kanemaru, S., Ito, J.:
  • Organizer: The 135th American Laryngological Association
  • Place of Presentation: Las Vegas
  • Year and Date: 2014-05-14 – 2014-05-15
• [Presentation] Concept of solo-surgery using a locally operated detachable end-effector manipulator to support endoscopic surgery. (2014)
  • Author(s): Nishizawa, Y., Kawai, T., Nakamura, T., Fujiwara, M., Okano, K., Suzuki, Y.
  • Organizer: SAGES 2014
  • Place of Presentation: Salt Lake City
  • Year and Date: 2014-04-02 – 2014-04-05
• [Remarks] 京都大学再生医科学研究所 臓器再建応用分野ホームページ
  • URL: http://www.frontier.kyoto-u.ac.jp/ca04/