血液の架け橋を築く：小口径人工血管の開発における画期的な進歩

人々の生活水準が向上するにつれ、喫煙、飲酒、夜更かし、運動不足などの不健康な生活習慣が人々の日常生活に徐々に広まってきています。この傾向の結果の 1 つは、国民の間で心血管疾患の発症率が継続的に増加していることです。

「中国心血管健康と疾病報告書2020」のデータによると、中国では都市部と農村部の住民の間で心血管疾患による死亡者数が最多となっている。 「2021年中国心血管疾患医療品質報告書」では、心血管疾患が現在、中国住民の死亡原因の第1位であることも明確に指摘されている。

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心臓血管疾患の治療において、人工血管は重要な医療機器です。重度の心血管疾患の場合、血管移植が最も効果的な治療法となることがよくあります。病気の血管を人工血管に置き換えることで、人体の血液循環のニーズを確保することができます。

最近、中国科学院物理化学研究所と首都医科大学付属北京安鎮病院が協力し、抗凝固因子薬と抗血小板薬を共同で応用している。小口径血管に「二重の抗凝固作用」を持たせることで、急性血栓症に効果的に抵抗できる小口径人工血管を開発した。

では、なぜ小口径人工血管が特に人気があるのでしょうか?彼らの研究開発における困難は何ですか?この研究開発作業ではどのような進歩がありましたか?一緒に調べてみましょう。

人工血管：小さいからこその難しさ

大動脈など人体で最も太い血管は、直径が 30 ミリメートルを超えることもあります。一方、最も細い毛細血管の直径はわずか 100 分の 1 ミリメートルであり、その差は数千倍にもなります。そのため、人間の血管を置き換えるためには、異なる直径の人工血管を開発する必要があります。

一般的に、人工血管の直径が6mm未満のものは小口径人工血管、直径が6mmを超えるものは大口径人工血管に分類されます。

現状では、血栓症や内膜肥大などの避けられない問題により、小口径人工血管の長期開存率は非常に低いです。そのため、臨床応用に向けた小口径血管の開発が急務となっている。小口径血管移植が失敗する主な理由は次のとおりです。

まず、小血管の血流速度は比較的遅く、血液が長時間滞留するため、血液中の血小板が人工血管の「非ヒト」材料の表面に集まるのに十分な時間があり、凝固反応を引き起こし、移植の初期段階で急性血栓症が発生します。

第二に、不完全な内膜や炎症などの要因により、平滑筋細胞が過剰に増殖しやすくなり、内膜肥大を引き起こし、小さな血管が長期間埋め込まれると再び狭窄を引き起こす可能性があります。

第三に、準備材料と吻合技術の制限により、人工血管と天然血管の間にコンプライアンスの不一致が生じることが多く、内膜肥大や内腔の再狭窄などの問題が容易に発生する可能性があります。

対照的に、太い血管は血流量が多く、血流が速く、洗浄効果が強いため、血栓ができにくくなります。第二に、大血管の内腔は広く、局所的な血栓症や内膜肥大の影響はほとんど受けませんが、小血管にとっては致命的です。

小口径人工血管の臨床応用には多くの課題が存在します。中国科学院物理化学研究所と北京安鎮病院との今回の共同研究において、科学者らは移植初期における急性血栓症をいかに予防するかという問題に焦点を当て、新たな小口径人工血管の研究開発を行った。

ヘパリン＋アスピリン、二重効果抗凝固薬

凝固の目的は、破裂した血管を塞いで、小さな傷による大量出血を防ぐことだということは知られています。凝固のメカニズムは比較的複雑です。簡単に言えば、血小板はフィブリノーゲンを活性化してフィブリンネットワークを形成する役割を果たします。フィブリンネットワークは「鉄筋」として機能し、「コンクリート」を赤血球で満たして、穴を塞ぐ壁を素早く構築します。

しかし、人工血管という非生物と接触すると血液凝固機構が働き、凝固により人工血管内に血栓が増殖し、移植が失敗に終わる。

血栓の形成はフィブリンと血小板に依存するため、研究チームは人工血管におけるこれら2つの物質の出現を防ぎ、この観点から新しい人工血管の開発を試みた。

一方、複数の凝固因子の共同作用により、血液中のフィブリノーゲンがフィブリンに変換されることはすでに知られています。ヘパリンは凝固因子を効果的に打ち消すことができる物質であるため、血栓症を予防したり、妊娠中に子宮への血液供給を増やすためによく使用されます。

一方、血小板凝集も血栓症の重要な前提条件の 1 つです。古くから使用されている薬であるアスピリンには優れた抗血小板作用があり、血小板の働きを妨げて血栓症の発生を防ぐことができます。

では、ヘパリンとアスピリンを組み合わせて人工血管に埋め込めば、血栓の発生を防ぎ、小口径人工血管移植の成功率を高めることができるのでしょうか？この考えに基づいて、科学研究チームは一連の研究を実施しました。

PCL/PU-HepA血管ステントの作製と機能の概略図（画像出典：著者提供）

まず、科学者たちは、新しい人工血管の構築材料として、ポリカプロラクトン（PCL）とポリウレタン（PU）の複合材料を選択しました。両者の比率を精密に制御することで、人工血管の機械的特性を調節することができます。

第二に、ヘパリンとアスピリンを人工血管に導入する際、科学者は多くの実験条件を試し、最終的に穏やかな条件下でゆっくりと反応させてヘパリン・アスピリン複合体を調製する方法を発見しました。

この方法により、小分子アスピリンを大分子ヘパリンに結合させることができ、一度に２つの薬剤を人工血管内に導入することができ、より強力な抗凝固機能を発揮することができる。

結論

こうして、新しいタイプの小口径人工血管が誕生したのです。この人工血管ステント材料は主に電界紡糸法によって製造されており、製造技術は比較的成熟しています。ヘパリン-アスピリン複合体の合成およびグラフト化も比較的容易に達成できます。

電界紡糸の生産効率と有機合成反応の限界により、人工血管はまだ実験室での研究開発段階にあります。しかし、科学的探究の過程においては、「1」から「100」への実現よりも、「0」から「1」への実現の方が重要で、より根本的な場合が多いのです。近い将来、この新技術のさらなる向上と生産効率の向上により、新しい小口径人工血管が人類の心血管疾患との戦いにおいてより大きな役割を果たすようになると信じています。

著者: Li Lei、Zhou Siyuan、Wu Dayong、Yang Xiubin

著者所属機関: 中国科学院物理化学研究所、首都医科大学北京安鎮病院

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