心臓ナノテクノロジー

心臓ナノテクノロジーとは、「分子レベルでの機能システムのエンジニアリング」（「ナノテクノロジー研究」）です。^[1]

ナノテクノロジー

ナノテクノロジーは、長さが約 1 から 100 ナノメートルの構造と材料を扱います。この微視的なレベルでは、量子力学が発生し、それが作用して、人間が肉眼で見るもの (通常の物質) と比べるとかなり奇妙に見えるような動作が生じます。ナノテクノロジーは、エネルギーから電子機器、医療に至るまで、さまざまな技術分野で使用されています。医療の分野では、ナノテクノロジーはまだ比較的新しいものであり、この分野ではまだ広く採用されていません。ナノテクノロジーが医療の新たなブレークスルーとなり、最終的には人間が直面する多くの健康問題の解決策や治療法になる可能性があります。ナノテクノロジーは、風邪、病気、がんなどの病気の治療につながる可能性があります。すでに深刻な健康問題の治療に使用され始めており、より具体的には、心臓やがんの治療に使用されています。^[要出典]

ナノ医療

医療分野におけるナノテクノロジーは、一般的にナノ医療と呼ばれています。心臓の治療を目的としたナノ医療は、現在ナノ医療が提供している他のほとんどの分野と比較して、本格的に普及し始めており、人気が高まっています。近い将来、ナノテクノロジーが心臓病の治療に有効であるという有望な証拠がある心臓の問題がいくつかあります。

例

うまくいけば、欠陥のある心臓弁を治療したり、心臓の動脈プラークを検出して治療したりできるようになるはずです（「ナノテクノロジーが明らかに」）。ナノ医療は、すでに心臓病や心臓発作の犠牲になった人々の心臓を癒すのに役立つはずです。その一方で、心臓病のリスクが高い人を見つける上でも重要な役割を果たし、そもそも心臓発作を予防するのに役立ちます。心臓のナノテクノロジーは、手術で扱われる比較的大きな組織と比較して、体内のすべてが極小レベルで行われるため、手術よりもはるかに侵襲性が低くなります。今日のテクノロジーでは、心臓発作によって損傷した心臓組織を治療するために心臓手術が行われます。これは大手術であり、回復には通常2〜3か月かかります（「WebMD - より良い情報。より良い健康」）。この期間中、患者が行える活動は極端に制限されます。この長い回復過程は患者にとって不便であり、医学の発展に伴い、心臓発作患者を治療するためのより効率的な方法が開発され、使用されるようになるまで、それほど時間はかからないでしょう。^[要出典]大規模な心臓手術に代わる最有力候補の方法は、ナノテクノロジーの使用です。ナノテクノロジーは、将来的に心臓手術に代わる方法をいくつか提供できる可能性があります。

手術の代替手段

心臓病を患っている人や心臓発作を起こしたことがある人は、心臓が損傷して弱っていることがよくあります。心不全のより軽度な形態は手術を必要とせず、多くの場合は薬物療法で治療されます(「WebMD - より良い情報、より良い健康」)。損傷した心臓の治療にナノテクノロジーを使用することで、これらの軽度の心臓の問題が解消されるわけではなく、現在手術、場合によっては心臓移植を必要とするより深刻な心臓の問題が解消されることになります。

心臓の修復

MITとボストン小児病院のエンジニア、医師、材料科学者のグループがチームを組み、ナノテクノロジーを使用して弱った心臓組織を強化する方法を見つける運動を開始しています（「MIT - マサチューセッツ工科大学」）。最初の方法は、ナノテクノロジーと組織工学を組み合わせて使用し、金ナノワイヤーを心臓の損傷部分に配置して織り込み、基本的に機能していない組織や死んだ組織を置き換えます。^[2]

組織再生

もう一つのアプローチは、体内を巡って死にかけの心臓組織を見つける極小のナノ粒子を使用することです。ナノ粒子は「幹細胞、成長因子、薬剤、その他の治療化合物」などの物質を運びます。^[2] 次に、ナノ粒子は化合物を放出し、損傷した心臓組織に注入します。理論的には、これは組織の再生につながります。^[2]

心臓修復の困難

心臓発作や心臓病で損傷した心臓組織を修復することは、それほど簡単なことではなく、組織工学の分野における今日の大きな課題の 1 つです (「ポピュラーサイエンス」)。これは、心臓細胞が研究室で作成するのが最も簡単な対象ではないためです。細胞が互いに同期して鼓動するように開発するには、膨大な特別な注意と作業が必要です (「ポピュラーサイエンス」)。心臓細胞がようやく作成された後も、心臓の手術不能な部分に細胞を挿入し、正常に機能している組織と同期して機能するようにすることは、大きな作業です (「ポピュラーサイエンス」)。

ハートパッチ

これに成功した例はいくつかあり、デューク大学の研究者が開発した「幹細胞ベースの心臓パッチ」が使われています（「ポピュラーサイエンス」）。パッチを構成する生体材料は、通常、アルギン酸などの生物学的ポリマーか、ポリ乳酸などの合成ポリマーでできています（「ネイチャーナノテクノロジー」）。これらの材料は、細胞を機能する組織に組織化するのに優れていますが、絶縁体として機能し、電気伝導性が低いため、特に心臓では大きな問題となります（「ネイチャーナノテクノロジー」）。カルシウムイオン間で送信される電気信号が心臓の心筋細胞が収縮するタイミングを制御し、心臓を鼓動させるため、幹細胞心臓パッチはあまり効率的ではなく、医師が望むほど効果的ではありません（「ポピュラーサイエンス」）。このパッチの導電性が低いため、細胞は幹細胞を含む組織全体でスムーズで継続的な鼓動を達成できません。その結果、心臓が正常に機能しなくなり、幹細胞の移植によってさらに心臓の問題が発生する可能性がある。

組織スキャフォールド

最近^{[いつ？ ]}ナノテクノロジーの分野で、導電性の低い幹細胞ベースのパッチよりも効率的な新しい開発がいくつかありました (「ネイチャーナノテクノロジー」)。科学者と研究者は、これらの幹細胞パッチ (組織スキャフォールドとも呼ばれる) に導電性を持たせ、それによって飛躍的に^[要出典]効果を高める方法を発見しました (「ネイチャーナノテクノロジー」)。彼らは、パッチの中やパッチを貫通する金ナノワイヤを成長させることで、電気伝導性を大幅に高めることができることを発見しました。^[2] ナノワイヤは元のスキャフォールドよりも太くなり、細胞もよりよく組織化されます。^[2]また、筋肉のカルシウム結合と収縮に必要なタンパク質の生産も増加します。^[2]金ナノワイヤは幹細胞のスキャフォールド材料を突き抜け、周囲の心臓細胞間の電気的通信を強化します。^[2] ナノワイヤがなければ、幹細胞パッチは微弱な電流を生成し、細胞は刺激源で小さなクラスターになってしか拍動しません。^[2]ナノワイヤーを使用すると、細胞は刺激源から遠く離れた場所に集まっていても一緒に収縮するようです。^[2]幹細胞心臓パッチでの金ナノワイヤーの使用はまだ比較的新しい概念であり、人間に使用されるまでにはしばらく時間がかかると思われます。近い将来、ナノワイヤーが生きた動物でテストされることが期待されています。^[2]

ナノ粒子

ナノテクノロジーが損傷した心臓組織の修復に役立つ可能性があるもう 1 つの方法は、誘導ナノ粒子「ミサイル」の使用です。^[2] これらのナノ粒子は、動脈壁にくっついて付着し、ゆっくりと薬剤を分泌します (「MIT-マサチューセッツ工科大学」)。粒子は、特定のタンパク質にくっついて標的とする小さなタンパク質断片でコーティングされているため、ナノバーと呼ばれています。ナノバーは、付着した薬剤を数日かけて放出するようにできます (「MIT-マサチューセッツ工科大学」)。ナノバーは、特定の損傷組織を見つけて付着し、付着した薬剤を放出できるため、通常の薬剤とは異なります (「MIT-マサチューセッツ工科大学」)。ナノバーは、基底膜と呼ばれる特定の構造を標的とします。この膜は動脈壁の内側を覆っており、損傷した領域にのみ存在します。ナノバーは心臓の治療に効果的な薬剤を運ぶことができ、また損傷した心臓組織の再生を助ける幹細胞を運ぶこともできる可能性がある（「MIT-マサチューセッツ工科大学」）。

構成

粒子は 3 つの異なる層から成り、直径は 60 ナノメートルです ("MIT-マサチューセッツ工科大学")。外層はPEG と呼ばれるポリマーのコーティングで、体内を移動する間に薬剤が分解するのを防ぎます。中間層は脂肪物質で構成され、内核には薬剤そのものとポリマー鎖が含まれており、薬剤が放出されるまでの時間を制御します ("MIT-マサチューセッツ工科大学")。

研究

ラットで行われた研究では、ナノ粒子はラットの尾に直接注入され、非標的ナノ粒子の 2 倍の速度で目的の標的 (左頸動脈) に到達できました (「MIT-マサチューセッツ工科大学」)。粒子は長期間にわたって薬剤を送達でき、静脈注射も可能なため、患者は複数回の繰り返し注射や心臓への侵襲的手術を受ける必要がなくなり、はるかに便利になります。これの唯一の欠点は、既存の送達方法が侵襲的であり、心臓への直接注射、カテーテル処置、または外科的インプラントのいずれかを必要とすることです。^[2] ただし、心臓修復および心臓病/発作の予防の将来には、間違いなく何らかの形でナノテクノロジーの使用が関係することになります。^[要出典]

ポリケタールナノ粒子

構成

ポリケタールナノ粒子は、ポリ（1-4-フェニレンアセトンジメチレンケタール）から配合されたpH感受性の疎水性ナノ粒子です。^[3]ポリケタールナノ粒子は、酸に敏感な薬物送達媒体であり、腫瘍、ファゴソーム、炎症組織の環境を標的とするように特別に設計されています。^[3]このような酸性環境では、これらのナノ粒子は加速加水分解されて低分子量の親水性化合物になり、その結果、治療成分がより速い速度で放出されます。^[3]ポリエステルベースのナノ粒子とは異なり、ポリケタールナノ粒子は加水分解後に酸性分解生成物を生成しません^[3]^[4]

心筋梗塞における使用

心筋梗塞後、炎症性白血球が心筋に侵入します。白血球には多量のニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（NADPH）とNox2が含まれています。^[5]^{[6] Nox2とNADPHオキシダーゼは結合して心臓の}スーパーオキシド産生の主な原因となり、これが過剰になると心筋肥大、アポトーシス、線維症、およびマトリックスメタロプロテアーゼ-2の発現増加につながる可能性があります。^[5] Somasuntharamらによる2013年のマウスモデル研究では、ポリケタールナノ粒子がsiRNAの送達媒体として使用され、梗塞心臓のNox2を標的とし、阻害しました。^[7]生体内での心筋内注射後、Nox2-siRNAナノ粒子はNox2-NADPHオキシダーゼの上方制御を防ぎ、心筋短縮を改善しました。^[7]心筋梗塞後の心筋内のマクロファージに取り込まれると、ナノ粒子はエンドソーム/ファゴソームの酸性環境で分解され、Nox2特異的siRNAが細胞質に放出されます。^[7]

ポリケタールナノ粒子は、活性酸素種（ROS）によって引き起こされる虚血再灌流障害を防ぐために、梗塞を起こしたマウスの心臓にも使用されています。 ^{[8]有害なROSを除去する}抗酸化物質Cu/Znスーパーオキシドジスムターゼ（SOD1）のレベルは、心筋梗塞後に低下します。^[9] SOD1カプセル化ポリケタールナノ粒子は、再灌流障害誘発性ROSを除去できます。^[8]さらに、この治療により心筋梗塞部分短縮が改善されたことから、ポリケタールによる標的送達の利点が示唆されています。ポリケタール使用の主な利点の1つは、治療限界を超える濃度で投与した場合でも、炎症反応を悪化させないことです。^[10]一般的に使用されるポリ（乳酸グリコール酸）（PLGA）ナノ粒子とは対照的に、マウスへのポリケタールナノ粒子の投与では、炎症細胞の動員がほとんど起こりません。 [ ^10]さらに、ラットの脚にポリケタールを筋肉内注射しても、IL-6、IL-1β、TNF-α、IL-12などの炎症性サイトカインの有意な増加は見られませんでした。^[10]

参考文献

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追加の読み物

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