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脱細胞化（英国英語ではdecellularisationとも綴られる）は、生体医工学で使用されるプロセスで、組織の細胞外マトリックス（ECM）をその細胞から分離し、元の組織のECM足場を残します。これは、人工臓器や組織の再生に使用できます。臓器や組織の移植は、末期臓器不全から美容整形まで、さまざまな医療問題を治療します。臓器移植の最大の制限の 1 つは、移植レシピエントの抗体がドナー臓器内の細胞表面のドナー抗原に反応することによって引き起こされる臓器拒絶です。 [ 1 ]好ましくない免疫反応のため、移植患者は生涯にわたって免疫抑制剤を服用しなければなりません。Stephen F. Badylak は、ピッツバーグ大学の McGowan 再生医療研究所で脱細胞化のプロセスを開拓しました。[ 2 ]このプロセスは、細胞の成長、分化、および組織の発達の足場として機能する天然の生体材料を作成します。患者自身の細胞を用いてECM足場を再細胞化することで、有害な免疫反応は排除されます。現在では、様々な組織工学用途向けに市販のECM足場が利用可能です。過酢酸を用いてECM足場を脱細胞化することは誤りであり、組織を消毒するだけであることがわかっています。
脱細胞化を誘導するさまざまな治療法が利用可能であるため、ECM 足場が元の組織の構造的および化学的完全性を維持するように、物理的、化学的、および酵素的治療の組み合わせが注意深く監視されます。 [ 2 ]科学者は、取得した ECM 足場を使用して、前駆細胞または成体幹細胞(ASC) を導入し、足場内で分化させて目的の組織に発達させることにより、機能的な臓器を再現できます。生成された臓器または組織は患者に移植できます。細胞表面抗体とは対照的に、ECM の生化学的成分は宿主間で保存されているため、敵対的な免疫応答のリスクは最小限に抑えられます。 [ 3 ] [ 4 ] ECM 線維、成長因子、およびその他のタンパク質の適切な保存は、前駆細胞が適切な成体細胞に分化するために不可欠です。脱細胞化の成功は、適用された組織の成分と密度、およびその起源によって異なります。[ 5 ]組織再生のための生体材料足場を製造する脱細胞化法の応用は、心臓、皮膚、肺、腎臓、およびその他の種類の組織に見られます。完全な臓器再建はまだ開発の初期段階にあります。[ 6 ]
研究者は、ドナーまたは死体から組織を採取し、細胞外成分を損傷することなく組織内の細胞を溶解および殺し、天然組織と同じ物理的および生化学的機能を持つ天然ECM足場である製品を完成させることができます。 [ 2 ] ECM足場を取得した後、科学者は、元のタイプの組織に分化する強力な幹細胞または前駆細胞で組織を再細胞化することができます。ドナー組織から細胞を除去することで、ドナーからの免疫原性抗体が除去されます。前駆細胞は宿主から採取できるため、組織に対して有害な反応を起こしません。組織および臓器の脱細胞化のこのプロセスはまだ開発中ですが、ドナーから組織を採取してすべての細胞成分を除去する正確なプロセスは、脱細胞化プロセスと考えられています。脱細胞化されたECM足場から機能的な臓器に至るステップは、再細胞化の包括的な概念に含まれます。人体における組織の用途が多岐にわたるため、脱細胞化技術は対象となる特定の組織に合わせて調整する必要がある。研究されている脱細胞化の方法には、物理的、化学的、酵素的処理が含まれる。いくつかの方法はより一般的に使用されているが、処理の正確な組み合わせは、組織の由来と用途に基づいて変化する。[ 5 ]
臓器や組織に様々な液状化学物質や酵素を導入するにあたっては、灌流脱細胞化法と浸漬脱細胞化法が用いられてきた。灌流脱細胞化法は、臓器や組織に広範な血管系が存在する場合に適用可能である。ECM足場がすべてのレベルで、かつ構造全体に均一に脱細胞化されることが極めて重要である。[ 7 ] [ 8 ] この要件のため、血管組織では、既存の動脈、静脈、毛細血管を通して化学物質や酵素を灌流させることができる。このメカニズムと適切な生理学的条件下では、治療薬は臓器内のすべての細胞に均等に拡散することができる。治療薬はプロセスの最後に静脈を通して除去することができる。心臓や肺の脱細胞化では、血管網が発達しているため、この脱細胞化法を用いて治療薬を導入することが多い。浸漬脱細胞化法は、組織を化学物質や酵素処理液に浸漬することによって行われる。この方法は灌流よりも容易に実施できるが、血管系が限られた薄い組織にしか適用できない。
組織のマトリックスから細胞を溶解、殺傷、除去するために最も一般的に使用される物理的方法は、温度、力と圧力、および電気的破壊の使用によるものです。温度法は、急速凍結融解メカニズムでよく使用されます。組織を急速に凍結すると、細胞膜の周囲に微細な氷の結晶が形成され、細胞が溶解します。[ 9 ]細胞が溶解した後、組織は、不要な成分を分解して洗い流す液状化学物質にさらにさらされることがあります。温度法はECM足場の物理的構造を維持しますが、厚くて丈夫な組織で処理するのが最適です。[ 10 ]
組織に直接圧力を加えるとECM構造が確実に破壊されるため、圧力は一般的に使用されます。圧力脱細胞化は、組織または臓器に静水圧を制御して適用することを含みます。これは、足場を損傷する可能性のある監視されていない氷結晶の形成を避けるために、高温で行うのが最適です。細胞膜の電気的破壊は、組織または臓器に含まれる細胞を溶解するもう1つのオプションです。組織を電気パルスにさらすと、細胞膜に微細孔が形成されます。細胞は、適用された刺激によって恒常的な電気的バランスが崩れた後、最終的に死に至ります。この電気的プロセスは、非熱不可逆電気穿孔（NTIRE）として文書化されており、小さな組織と生体内で電流を誘導できる可能性が限られていることに限定されます。[ 2 ]
脱細胞化に適した化学物質の組み合わせは、組織や臓器の厚さ、細胞外マトリックスの組成、および用途に応じて選択されます。例えば、酵素は結合組織線維を破壊するため、コラーゲン組織には使用されません。しかし、コラーゲンが高濃度で存在しない場合や、組織にコラーゲンが必要ない場合は、酵素は脱細胞化の有効な選択肢となり得ます。細胞を殺滅・除去するために使用される化学物質には、酸、アルカリ処理、イオン性界面活性剤、非イオン性界面活性剤、両性界面活性剤などがあります。
イオン性界面活性剤であるドデシル硫酸ナトリウム（SDS）は、ECMに大きな損傷を与えることなく細胞を溶解する効果が高いため、一般的に使用されています。[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]界面活性剤は、細胞膜を溶解し、内容物をさらに分解するために効果的に作用します。SDSが細胞膜を溶解した後、エンドヌクレアーゼとエキソヌクレアーゼが遺伝物質を分解し、細胞の他の成分は可溶化されてマトリックスから洗い流されます。SDSはECM構造をわずかに破壊する傾向があるにもかかわらず、一般的に使用されています。アルカリ処理と酸処理は、核酸を分解し、細胞質内封入体を可溶化する能力があるため、SDS処理と併用すると効果的です。[ 5 ]
最もよく知られている非イオン性界面活性剤はTriton X-100で、脂質-脂質および脂質-タンパク質相互作用を阻害する能力があるため人気があります。Triton X-100はタンパク質-タンパク質相互作用を阻害しないため、細胞外マトリックス（ECM）を無傷に保つのに有利です。EDTAは、タンパク質同士の相互作用に必要な成分であるカルシウムに結合するキレート剤です。カルシウムを利用できなくすることで、 EDTAは細胞間の膜タンパク質同士の結合を阻害します。EDTAは、組織内の隣接する細胞の膜タンパク質間の既存の結合を切断するプロテアーゼとして作用する酵素であるトリプシンと併用されることがよくあります。EDTAとトリプシンの組み合わせは、組織の脱細胞化に優れた効果を発揮します。
脱細胞化処理で使用される酵素は、核酸、隣接するタンパク質を介して相互作用する細胞、およびその他の細胞成分間の結合と相互作用を切断するために使用されます。リパーゼ、サーモリシン、ガラクトシダーゼ、ヌクレアーゼ、およびトリプシンはすべて、細胞の除去に使用されています。洗剤、酸、物理的圧力などで細胞が溶解した後、エンドヌクレアーゼとエキソヌクレアーゼは遺伝物質の分解を開始できます。エンドヌクレアーゼは、配列の中央でDNAとRNAを切断します。エンドヌクレアーゼであるベンゾアーゼは、さらに分解され、ECM足場から除去できる複数の小さな核断片を生成します。[ 14 ] エキソヌクレアーゼは、DNA配列の末端で作用してホスホジエステル結合を切断し、核酸配列をさらに分解します。
トリプシンなどの酵素は、タンパク質間の相互作用を切断するプロテアーゼとして作用します。トリプシンは細胞外マトリックス（ECM）のコラーゲン線維やエラスチン線維に悪影響を及ぼす可能性がありますが、時間管理を徹底することで、細胞外線維への潜在的な損傷を抑制できます。ディスパーゼは、細胞の望ましくない凝集を防ぐために使用され、ECM足場からの細胞の分離を促進する上で有益です。実験により、ディスパーゼは肺組織再生における肺などの薄い組織の表面で最も効果的であることが示されています。ディスパーゼを用いて組織の深部細胞を効果的に除去するには、機械的な攪拌がしばしばプロセスに組み込まれます。
コラゲナーゼは、ECM足場製品が完全なコラーゲン構造を必要としない場合にのみ使用されます。脱細胞化皮膚移植が必要な場合には、リパーゼが一般的に使用されます。リパーゼ酸は、脱脂および高度に脂質化された細胞間の相互作用の切断によって真皮組織の脱細胞化に作用します。α-ガラクトシダーゼ酵素は、細胞表面からGalエピトープ抗原を除去する際に適切な処理です。[ 5 ]
天然のECM足場は、強力な前駆細胞と幹細胞の成長と分化を促進するために必要な物理的および生化学的環境を提供します。無細胞マトリックスは、さまざまな組織や臓器でin vitroおよびin vivoで分離されています。 [ 6 ]脱細胞化ECMは、3Dバイオプリンティング用のバイオインクを準備するために使用できます。[ 15 ]脱細胞化組織から最も応用可能な成功は、骨や真皮移植片など、分化が少ない対称組織から得られていますが、臓器レベルでの研究と成功は継続中です。
無細胞真皮マトリックスは、さまざまな用途で成功を収めています。たとえば、皮膚移植は美容外科や熱傷治療に使用されます。脱細胞化皮膚移植は、損傷部位に機械的サポートを提供すると同時に、宿主由来の結合組織の発達をサポートします。心臓組織は、天然ECMマトリックスからヒト弁を開発する臨床的成功を収めています。[ 16 ]ロス法として知られる技術では、無細胞心臓弁を使用して欠陥のある弁を置き換え、新しい機能する弁に固有の細胞が再増殖できるようにします。脱細胞化同種移植片は、骨再建や患者の変形した骨の置換に機能する骨移植において重要です。
心筋組織工学の限界は、移植した心臓を患者にすぐに灌流・播種できるかどうかという点にある。ECM足場は天然組織のタンパク質や成長因子を維持するものの、脱細胞化心臓足場を使用する研究者たちは、分子レベルでの特殊化をまだ十分に活用できていない。脱細胞化技術から臓器全体を利用することに成功した例は、肺の研究で多く見られる。科学者たちは、灌流脱細胞化を用いてラットの肺から体外で肺全体を再生することに成功した。胎児ラット肺細胞をマトリックスに播種することで、機能する肺が作られた。体外で作られた肺はラットに移植され、体外で作られた臓器を患者に移植できる可能性を示している。
脱細胞化の他の成功例は、小腸粘膜下組織 (SIS)、腎臓、肝臓[ 17 ] 、および膵臓の組織工学[ 18 ]で見つかっています。SISマトリックスは薄い材料であるため、組織を化学的および酵素的処理に浸すことで脱細胞化できます。腎臓組織工学はまだ発展途上ですが、死体腎臓マトリックスは強力な胎児腎臓細胞の発達をサポートすることができました。膵臓工学は、臓器の分子特異性の証です。科学者はまだ完全に機能する膵臓を作り出すことはできていませんが、特定の部位で機能する臓器を作り出すことに成功しています。たとえば、ラットの糖尿病は、特定の部位に膵臓マトリックスを播種することで減少することが示されています。[ 6 ]脱細胞化組織マトリックスの将来の応用はまだ発見されておらず、再生医療研究で最も有望な分野の 1 つと考えられています。