大きな怪我や病気で皮膚や筋肉などの軟らかい組織が傷ついたとき、その修復は簡単ではありません。特に、糖尿病などによる慢性的な傷は治りにくく、高齢化社会でますます増えることが心配されています。そんな中、期待されているのが、細胞を植え付けた特殊な「布」を移植して組織の再生を促す治療法です。しかし、これまでの「布」は、私たちの体のようにしなやかに伸び縮みすることが苦手でした。無理に伸びると、せっかく植え付けた細胞が死んでしまい、治療の妨げになることも…。この大きな壁を打ち破るため、マサチューセッツ工科大学（MIT）リンカーン研究所とMITの研究者たちが、まるで人間の皮膚や筋肉のように「縮んだり折りたたまれたりして」動き、細胞にも優しい新しい「生体吸収性の布地」の開発に取り組んでいます。この「魔法の布」が、傷ついた組織を優しく包み込み、細胞を育てながら自然に体に吸収されていく、そんな未来の治療法が見えてきました。
有望な治療法の一つとして、生きた細胞を付着させた生体適合性材料（マイクロティッシュ: microtissue）を傷に移植する方法が注目されています。この材料は、幹細胞や他の前駆細胞が傷ついた組織へと成長し、修復を助けるための「足場」となります。しかし、現在の足場材料作製技術には、繰り返し起こる課題がありました。人間の組織は独特な動きや屈曲をしますが、従来の軟質材料ではこれを再現するのが難しく、足場が伸びると、埋め込まれた細胞も伸びてしまい、しばしば細胞死を引き起こしてしまうのです。死んだ細胞は治癒プロセスを妨げ、体内で意図しない免疫応答を引き起こす可能性もあります。
「人体には、実際には伸びるのではなく、縮んだり折りたたまれたりする階層構造があります」と、MITリンカーン研究所機械工学グループの研究者であるスティーブ・ギルマー博士（Steven Gillmer, PhD）は述べています。「だからこそ、自分の皮膚や筋肉を伸ばしても、細胞は死なないのです。実際に起こっているのは、組織が伸びる前に少しだけ縮みや折り畳みが解けることです」。
ギルマー博士は、この「伸び」の問題に対する解決策を模索する学際的な研究チームの一員です。彼は、MIT機械工学科のミン・グオ教授（Ming Guo）、そして同研究所の防衛ファブリック発見センター（DFDC: Defense Fabric Discovery Center）と協力し、人間の組織と同じように縮みや折り畳みが解け、動くことができる新しい種類の布地を編み出す研究を進めています。
この共同研究のアイデアは、ギルマー博士とグオ教授がMITでコースを教えていたときに生まれました。グオ教授は、自然な組織の縮みや折り畳みの解除を模倣できる新しい形態の材料上で幹細胞を培養する方法を研究していました。彼はエレクトロスピニング法で作製したナノファイバーを選びましたが、これはうまく機能したものの、長い長さに加工することが難しく、より大規模な組織修復のための大きな編み構造に繊維を組み込むことができませんでした。
「ギルマー博士が、リンカーン研究所には産業用の編み機があると教えてくれました」とグオ教授は言います。これらの機械により、彼は個々の糸ではなく、より大きな編み物の設計に焦点を移すことができました。「私たちはすぐに、研究所からの内部支援を通じて新しいアイデアをテストし始めました」。
ギルマー博士とグオ教授はDFDCと協力し、どの編みパターンがさまざまな種類の軟組織と同様に動くことができるかを発見しようとしました。彼らは、インターロック、リブ、ジャージーと呼ばれる3つの基本的な編み構造から始めました。
「ジャージーについては、Tシャツを思い浮かべてください。シャツを伸ばすと、糸のループが伸びています」と、DFDCのテキスタイル専門家であるエミリー・ホルツマン氏（Emily Holtzman）は言います。「ループの長さが長いほど、生地はより多くの伸びに対応できます。リブについては、セーターの袖口を考えてみてください。この生地構造は全体的な伸縮性を持ち、生地がアコーディオンのように広がることを可能にします」。
インターロックはリブに似ていますが、より密なパターンで編まれ、生地1インチあたり2倍の量の糸を含んでいます。より多くの糸を使用することで、細胞を埋め込むための表面積が大きくなります。「編み生地はまた、生地のループと糸のサイズによって作られる特定の多孔性、つまり透水性を持つように設計することもできます」と、チームの別のテキスタイル専門家であるエリン・ドーラン氏（Erin Doran）は言います。「これらの孔は、治癒プロセスにも役立ちます」。
これまでに、チームはマウス胎児線維芽細胞（mouse embryonic fibroblast cells）と間葉系幹細胞（mesenchymal stem cells）をさまざまな編みパターン内に埋め込み、パターンが伸ばされたときにそれらがどのように振る舞うかを確認する多くのテストを実施してきました。各パターンには、生地がどれだけ縮みや折り畳みを解除できるか、また伸ばし始めた後にどれだけ硬くなるかに影響を与えるバリエーションがありました。すべてが高い細胞生存率を示し、2024年にはチームはその編みデザインでR&D 100アワードを受賞しました。
ギルマー博士は、このプロジェクトは当初、皮膚や筋肉の損傷治療を念頭に置いて開始されましたが、彼らの布地は軟骨や脂肪など、さまざまな種類の人間の軟組織を模倣する可能性があると説明しています。チームは最近、これらのパターンを作成する方法の概要を示し、糸を作るために使用すべき適切な材料を特定する仮特許を出願しました。この情報は、適用される損傷組織の機械的特性に合わせてさまざまな編み構造を調整するためのツールボックスとして使用できます。
「このプロジェクトは間違いなく私にとって学習経験でした」とギルマー博士は言います。「このチームの各部門は独自の専門知識を持っており、全員が協力しなければプロジェクトは不可能だったと思います。私たちの協力全体が、これらのより大きく、より複雑な問題を解決するために仕事の範囲を拡大することを可能にしています」。
写真；スティーブ・ギルマー博士（Steven Gillmer, PhD）
