神経組織工学

神経組織工学は、組織工学の特定のサブ分野です。神経組織工学は、主に、異​​物移植時の炎症や線維症を排除するための戦略の探求です。多くの場合、移植片や足場の形で異物が移植され、神経再生を促進し、外傷によって中枢神経系(CNS) と末梢神経系(PNS)の両方の神経に生じた損傷を修復します。

神経系には、中枢神経系 (CNS) と末梢神経系 (PNS) の 2 つの部分があります。一般的な身体機能は、脳と脊髄を含む中枢神経系 (CNS) によって監視されています。PNS は、身体活動を制御するための運動信号を送り、CNS から感覚データを受信します。PNS は、神経に配置された神経線維で構成されています。PNS の自律神経系(ANS) は、交感神経と副交感神経の枝が恒常性を維持し、不随意の生理機能を調節します。^[1]

「闘争・逃走」反応は、胸部脊髄と上部腰椎脊髄から派生した交感神経系（SNS）によって引き起こされます。この神経系は、プレッシャーの下での素早い反応のために身体を準備します。一方、副交感神経系（PSNS）は脳幹と仙骨脊髄から派生し、休息とエネルギーの節約を促すことで正常な生理学的プロセスを促進します。PSNSの主な神経の1つである迷走神経は、脳幹で始まり、体中を巡ってさまざまな臓器に影響を与えます。この神経には感覚繊維と運動繊維があります。感覚メッセージは、身体が何をしているかを脳に伝え、恒常性を維持し、活動を制御できるようにします。さらに、迷走神経は、いくつかの脳領域とのつながりを通じて感情と記憶に影響を与えます。

神経免疫相互作用免疫システムの役割は、体外の化学物質や感染を識別し、それらから体を守ることです。免疫システムは自然免疫と獲得免疫に分かれており、免疫器官、細胞、有効成分で構成されています。驚くべきことに、特定の状況下では、さまざまな非免疫細胞が免疫特性を示すことがあります。免疫システムと、体の機能を制御する神経系は相互に依存しています。^[2]中枢神経系（CNS）は、体液性化学物質を全身レベルで制御することにより、免疫システムに影響を与えます。睡眠やその他の心理社会的変数は、免疫反応に影響を及ぼす可能性があります。^{[3]たとえば、} 肥満や睡眠不足は免疫力を低下させ、長期のストレスは免疫反応を弱め、COVID-19などの感染症に対してより脆弱にします。^[4]心理的ストレスやうつ病 によって悪化する喘息などの疾患では、神経免疫相互作用が明確に見られます。免疫反応は脳の活動に影響を与え、神経内分泌ホルモンはサイトカインの放出を制御します。^{[5]眠気や食欲減退などの発熱症状は、}炎症誘発性メディエーターによって引き起こされます。免疫系の臓器は、末梢神経系（PNS）から自律神経支配を受けており、これにより、2つのシステム間の専門的なコミュニケーションが促進されます。神経系と免疫系の機能的なつながりの証拠がすでに存在しているにもかかわらず、双方向のクロストーク経路に関する包括的な情報はしばしば不足しています。^[1] リンパ節は、さまざまな免疫細胞の収集場所として、また危険な化学物質のフィルターとして機能するため、免疫系の重要な構成要素です。そのよく構造化された構成は、効率的な免疫反応を促進し、体を外部の化学物質、感染症、悪性腫瘍から保護します。^[6]リンパ節の局所神経支配には、自律神経系（ANS）の交感神経と副交感神経の枝からの複雑な関与が関与しています。^[7]さらに、特定の領域での免疫反応を担当する求心性神経支配があります。神経ペプチドの使用により、痛覚を感じる特殊な神経終末である侵害受容器が免疫系を制御します。リンパ節内の明確な神経線維は、TH、抗β2-AR、ChAT、VAChTなどのいくつかのマーカーによって識別されます。研究により、神経線維は門脈から始まり、血管に沿って移動し、髄質領域を横切り、肩甲下神経叢を形成することが示されています。^[7]しかし、いくつかの限界は残っています。これには、ニューロンと神経線維の識別が不十分であること、細い神経線維の徹底的な検査が不足していること、特定の領域における神経支配に関する知識が不完全であること、免疫細胞と非免疫細胞と神経線維の密接な相互作用に関する特定の研究における文書化が不十分であることなどが含まれます。^[8]

神経免疫相互作用には治療アプローチの可能性がある^[9]神経免疫相互作用に焦点を当てた新しいアプローチは、病気の経過を変えたり、症状を軽減したりする可能性があります。神経免疫経路を標的とすることは、免疫応答と脳機能の両方に影響を与えようとする全体論的なアプローチです。「鍼治療」という用語は、痛みや炎症などのさまざまな病気を治療するために、特定の体の部位に挿入された小さな針で侵害受容器と受容体を穏やかに刺激する古代中国の医療技術を指します。^{[10]うつ病と}てんかんの治療薬として FDAが承認した迷走神経刺激（VNS）は、関節リウマチや炎症性腸疾患などの神経以外の症状にも効果がある可能性があります。末梢神経系（PNS）調節などの化学療法は、関節リウマチや糖尿病に関連する問題などの感染性および炎症性疾患の治療薬として研究されています。^[11]腫瘍の神経支配を標的とすることは、潜在的な新しい治療アプローチとして研究されています。腫瘍内神経支配は、腫瘍の内部または周囲の神経に関係し、癌の生物学に影響を与える。^[12]末梢神経障害は、免疫療法による治療が可能な末梢神経関連疾患の1つである。^[13]多くの実験研究者によると、これらの実験技術が確立された治療法として確立される前に、安全性、有効性、規制当局の承認を確認するための広範な臨床研究が必要である。^{[14] [11]}

組織工学神経組織工学の必要性は、神経損傷が発生した後、神経細胞や神経組織が自然に再生することが難しいことから生じています。PNSでは神経細胞の再生がいくらかありますが、限られています。CNSにおける成体幹細胞の神経新生は、海馬、脳室下帯（SVZ）、および脊髄で起こることがわかっています。 ^{[15] CNS損傷は、}脳卒中、神経変性疾患、外傷、または脳症によって引き起こされる可能性があります。現在CNS損傷を治療するために研究されているいくつかの方法は、幹細胞を損傷部位に直接移植すること、損傷部位にモルフォゲンを送達すること、または3Dスキャフォールドで神経幹細胞または前駆細胞を使用してin vitroで神経組織を成長させることです。^[16]電界紡糸ポリマー繊維スキャフォールドを神経修復基質として使用するという提案は、少なくとも1986年のNIH SBIR申請書に遡ります。^[17] PNSの場合、切断された神経は移植片やチャネルを通した既存の神経の誘導によって再接続され、再神経支配される可能性がある。^[18]

皮質造血と呼ばれる小型皮質や脳オルガノイドと呼ばれる脳モデルを作成する最近の研究は、神経組織再生の分野をさらに発展させる可能性のある技術です。皮質造血におけるネイティブ皮質前駆細胞は、脳に効果的に埋め込むことができる神経組織です。^[19]脳オルガノイドは、脳皮質の断片に発達した3Dヒト多能性幹細胞であり、神経前駆細胞を使用して特定の神経組織を分離して発達させる可能性があることを示しています。^[20]

外来組織の移植が必要となるもう一つの状況は、記録電極の使用である。 慢性電極インプラントは、大脳皮質の領域からの信号を記録するために研究用途で使用されているツールである。麻痺や義肢を装着した患者のPNSニューロンの刺激に関する研究は、PNSとCNSの両方における神経組織の再神経支配に関する知識をさらに深める可能性がある。^[21]この研究は、神経組織工学の難しい側面の1つである神経組織の機能的神経支配をより扱いやすくすることができる可能性がある。^[21]

中枢神経系損傷の主な原因は、脳卒中、外傷性脳損傷（TBI）、発達合併症の3つです。脳卒中は、出血性（血管が損傷して脳内に出血した場合）または虚血性（血栓が脳内の血管の血流を遮断した場合）に分類されます。出血が発生すると、血液が周囲の組織に浸透して組織が死滅しますが、虚血性出血では特定の組織への血流が不足します。外傷性脳損傷は、頭蓋骨または脊髄に外力が加わることで発生します。中枢神経系の発達に問題があると、発達中に異常な組織成長が起こり、中枢神経系の機能が低下します。^[16]

中枢神経系損傷を治療する方法の 1 つに、幹細胞を体外で培養し、その非指向性幹細胞を脳損傷部位に移植する方法があります。幹細胞を損傷部位に直接移植すると、グリア瘢痕形成を防ぎ、患者由来の神経新生を促進しますが、腫瘍の発生、炎症、および幹細胞が損傷部位から移動するリスクもあります。腫瘍形成は幹細胞の分化が制御されないために発生する可能性があり、炎症は移植された細胞が宿主細胞によって拒絶されるために発生する可能性があり、幹細胞の高度な移動性により細胞が損傷部位から移動し、損傷部位に望ましい効果が得られません。神経組織工学のその他の懸念事項には、幹細胞の安全な供給源を確立することと、治療ごとに再現可能な結果を​​得ることが含まれます。^[16]

あるいは、これらの幹細胞は他の治療法のキャリアとして機能することができますが、幹細胞を送達メカニズムとして使用することによるプラスの効果は確認されていません。幹細胞を直接送達すると、in vitroで神経細胞に誘導された場合、有益な効果が高まります。このようにして、無指向性の幹細胞に関連するリスクが減少し、さらに、特定の境界を持たない損傷を効率的に治療することができます。^[16]

医薬品、モルフォゲンと呼ばれる成長因子、miRNAなどの神経組織の再生を促進する分子も、損傷した CNS 組織の損傷部位に直接導入できます。向精神薬を投与された動物では、脳内でのセロトニン再取り込みの阻害と神経新生の誘導により、神経新生が観察されています。幹細胞が分化しているとき、細胞は成長因子などのモルフォゲンを分泌して健全な発達を促進します。これらのモルフォゲンは恒常性と神経シグナル伝達経路の維持に役立ち、損傷部位に送達して損傷組織の成長を促進することができます。現在、モルフォゲンの損傷組織との相互作用のため、モルフォゲンの送達による利点は最小限です。体内に生来存在しないモルフォゲンは、物理的サイズと CNS 組織内での移動性が限られているため、損傷組織への影響は限られています。効果的な治療であるためには、モルフォゲンが特定の一定濃度で損傷部位に存在していなければなりません。 miRNAは未分化神経細胞の分化を誘導することで神経新生に影響を及ぼすことも示されている。^[16]

CNS 損傷を治療する 3 番目の方法は、体外で人工的に組織を作成し、損傷部位に移植することです。この方法は、大量の神経組織を置き換えて再生する必要がある大きな空洞のある損傷を治療できます。神経組織は、3D スキャフォールド内で神経幹細胞または神経前駆細胞とともに体外で成長し、胚様体(EB) を形成します。これらの EB は幹細胞の球体で構成され、内部の細胞は未分化の神経細胞で、周囲の細胞はますます分化しています。3D スキャフォールドは、組織を損傷部位に移植し、人工組織と脳組織の間に適切なインターフェイスを作成するために使用されます。スキャフォールドは、生体適合性、生分解性、損傷部位に適合、弾力性や剛性が既存の組織に類似、成長中の細胞や組織をサポートする必要があります。指向性幹細胞とスキャフォールドを組み合わせて神経細胞と組織をサポートすることで、損傷部位の幹細胞の生存率が向上し、治療の有効性が向上します。^[16]

神経組織の損傷を治療するためのこの方法で使用するため研究されている足場には 6 種類あります。

• 液体ハイドロゲルは架橋された疎水性ポリマー鎖であり、神経幹細胞はゲルの表面で増殖するか、ポリマー鎖の架橋中にゲルに統合されます。液体ハイドロゲルの主な欠点は、移植された細胞の保護が限られていることです。
• 支持足場は、固体ビーズ状または微細孔構造から作られ、移植された細胞や幹細胞が分化する際に分泌する成長因子のキャリアとして機能します。細胞は 2D 層でマトリックスの表面に接着します。支持足場は、足場のサイズにより、脳損傷部位に簡単に移植できます。支持足場は、細胞の接着と凝集を促進するマトリックスを提供し、健康な細胞の培養を増加させます。
• 整列用スキャフォールドは、シルクベース、多糖類ベース、またはコラーゲンを豊富に含むハイドロゲルなどの他の材料をベースにすることができます。これらのゲルは、ニューロンの成長を促進するために、表面に微細パターンが施されるようになりました。これらのスキャフォールドは、脊髄損傷など、特定の方向で再生を行う必要がある場合に主に使用されます。
• 統合型スキャフォールドは、主に、移植された細胞を、損傷部位への移植プロセスで受ける機械的力から保護するために使用されます。また、これらのスキャフォールドは、損傷部位にある炎症細胞が幹細胞とともにスキャフォールドに移動する確率を低下させます。血管がスキャフォールドを通って成長することが観察されており、スキャフォールドと細胞は宿主組織に統合されています。
• 人工スキャフォールドを組み合わせることで、細胞接着に必要なパターンと、損傷部位の絶えず変化する環境に適応する柔軟性の両方を備えた3Dスキャフォールドの選択肢が生まれます。脱細胞化ECMスキャフォールドは、天然組織をより忠実に模倣するためスキャフォールドの選択肢の1つですが、これらのスキャフォールドは現在、切断部や死体からしか採取できません。^[16]

これらの3Dスキャフォールドは、粒子浸出、ガス発泡、繊維結合、溶媒鋳造、または電界紡糸技術を使用して製造することができ、各技術は他の技術とは異なる特性を持つスキャフォールドを作成します。^[22]

3DスキャフォールドのCNSへの組み込みの成功は、細胞が分化した段階に依存することが示されています。後期段階の方がより効率的な移植が可能ですが、前期段階の細胞は、細胞を分化させ、CNS損傷部位で細胞が受け取る信号に適切に反応するようにする因子にさらす必要があります。^[23] 脳由来神経栄養因子は、 ES細胞由来ニューロンのCNS損傷部位への機能的活性化を促進する潜在的な補因子です。^[24]

PNSへの外傷は、神経を切断し、神経を近位部と遠位部に分割するほどの重篤な損傷を引き起こす可能性があります。遠位神経は活動がないために時間の経過とともに変性し、近位端は時間の経過とともに腫れます。遠位端はすぐに変性せず、近位端が腫れても機能しなくなることはありません。そのため、神経の両端の接続を再確立する方法が研究されています。^[18]

PNS 損傷を治療する方法の 1 つは、切断された神経の両端を縫合して再接続する外科手術です。神経を縫合すると、神経の束がそれぞれ再接続され、神経が再び橋渡しされます。この方法は、近位神経端と遠位神経端の間に小さな隙間ができる切断には有効ですが、神経終末にかかる張力のため、より長い距離の隙間には有効ではありません。この張力により神経が変性し、神経が再生して機能的な神経接続を形成することができません。^[18]

組織移植では、切断された神経の両端を神経またはその他の材料でつなぎます。組織移植には、自己組織移植、非自己組織移植、無細胞移植の 3 つのカテゴリがあります。

自家組織移植では、患者の体の別の部分から神経を移植し、損傷した神経の両端の間の隙間を埋めます。これらの神経は通常、皮神経ですが、他の神経も研究されており、有望な結果が得られています。これらの自家神経移植は、生体適合性が非常に高いため、現在、末梢神経移植のゴールドスタンダードとなっていますが、患者自身から神経を採取することや、将来の使用に備えて大量の自家移植片を保存できるかどうかという問題があります。

非自己組織および無細胞移植片（ECMベースの材料を含む）は、患者から採取されたものではなく、死体（同種組織として知られる）または動物（異種組織として知られる）から採取された組織である。これらの組織は、患者から採取する必要がないため、自己組織移植片よりも優れているが、病気の伝染の可能性と免疫原性の問題が発生するという問題が生じる。免疫原性細胞を除去し、組織のECM成分のみを残す方法が、現在、非自己組織移植の有効性を高めるために研究されている。^[18]

PNS 再生の誘導法では、神経誘導チャネルを使用して軸索が正しい経路に沿って再成長するようにし、神経の両端から分泌される成長因子を誘導して成長と再接続を促進します。誘導法は神経の瘢痕化を軽減し、再接続後に神経が活動電位を伝達する機能を高めます。PNS 再生の誘導法では、天然由来の材料と合成材料の 2 種類の材料が使用されます。

天然由来の材料は、ECM成分とグリコサミノグリカンから派生した修正された足場です。ECM成分であるラミニン、コラーゲン、フィブロネクチンは、軸索の発達を導き、神経の刺激と活動を促進します。神経修復を促進する可能性のある他の分子には、ヒアルロン酸、フィブリノーゲン、フィブリンゲル、自己組織化ペプチド足場、アルギン酸、アガロース、キトサンがあります。

合成材料は、移植片の化学的および物理的特性を制御できる組織再生の別の方法も提供します。材料の特性は、使用される状況に合わせて指定できるため、合成材料はPNS再生の魅力的な選択肢です。合成材料の使用には、移植材料を必要な寸法に簡単に形成できること、生分解性、滅菌可能、引き裂きに強い、操作が簡単、感染のリスクが低い、材料による炎症反応が低いなど、特定の懸念事項が伴います。材料は、神経再生中にチャネルを維持する必要があります。現在、最も一般的に研究されている材料は主にポリエステルに焦点を当てていますが、生分解性ポリウレタン、その他のポリマー、生分解性ガラスも調査されています。合成材料の他の可能性としては、導電性ポリマーや、細胞の軸索成長を促進し、軸索チャネルを維持するために生物学的に改変されたポリマーがあります。^[18]

細胞外小胞（EV）は二重層に結合した脂質粒子で、核酸、脂質、タンパク質などのさまざまな物質を放出することで細胞間コミュニケーションに関与しています。^[25]エクソソーム、マクロ小胞、アポトーシス小体の3つが主な形態で、それぞれ独自の特性を持っています。EVは治療薬の送達媒体^[26]や診断バイオマーカー^[27]として使用できる可能性があり、免疫応答、がん、組織再生、神経疾患に関与しています。損傷したニューロンはニューロン由来エクソソーム（NDE）を生成し、ジカウイルスなどのさまざまな貨物を輸送することで標的細胞に影響を及ぼすことができます。^{[28] [29]}神経変性疾患はNDEに関連しています。免疫細胞エクソソーム（IEE）は免疫応答に影響を与え、他の細胞と相互作用するため、免疫療法やワクチン開発に使用できる可能性があります。樹状細胞、マクロファージ、B細胞、T細胞などの免疫細胞がIEEを生成します。 EVは神経免疫クロストークを促進し、局所的および遠隔的な組織と細胞のコミュニケーションを可能にすることが示されています。^[27]

神経組織工学の成功または失敗に寄与する要因が非常に多いため、神経組織工学を使用して CNS および PNS 損傷を治療する際には多くの困難が生じます。まず、治療は損傷部位に届けられる必要があります。つまり、損傷部位には手術または薬物送達によってアクセスする必要があります。これらの方法はどちらも固有のリスクと困難を抱えており、治療に関連する問題を複雑化しています。2 つ目の懸念は、治療を損傷部位に留めることです。幹細胞は損傷部位から脳の他の部位に移動する傾向があるため、細胞が損傷部位に留まっている場合ほど治療の効果は得られません。さらに、幹細胞やその他のモルフォゲンを損傷部位に送達すると、腫瘍形成、炎症、その他の予期しない影響が誘発され、良いことよりも悪いことを引き起こす可能性があります。最後に、研究室での発見が実際の臨床治療に応用されない可能性があります。研究室で成功した治療、または損傷の動物モデルでさえ、人間の患者には効果的ではない可能性があります。^[30]

脳組織発達の 2 つのモデルは、大脳オルガノイドと皮質形成です。これらのモデルは、正常な脳発達の「in vitro」モデルを提供しますが、^[20]神経欠陥を再現するように操作できます。したがって、これらのモデルを使用して、健全な発達と機能不全の発達の背後にあるメカニズムを研究することができます。^[20]これらの組織は、マウス胚性幹細胞 (ESC) またはヒト ESC のいずれかで作成できます。マウス ESC は、ソニック ヘッジホッグ阻害剤と呼ばれるタンパク質で培養され、背側前脳の発達を促進し、皮質の運命を研究します。^[19] この方法は、広範囲の皮質層を模倣した軸索層を生成することが示されています。^[31]ヒト ESC 由来組織は、多能性幹細胞を使用して足場上に組織を形成し、ヒト EB を形成します。これらのヒト ESC 由来組織は、ヒト多能性EB を回転バイオリアクターで培養することによって形成されます。^[20]

標的再神経支配は、特に義肢を使用している麻痺患者や切断患者のCNSとPNSの神経接続を再神経支配する方法です。現在、人の運動意図に反応してニューロンを通じて伝播する電気信号を取り込み、記録するデバイスが研究されています。この研究は、切断されたPNS神経間の神経接続とCNSに移植された3Dスキャフォールド間の接続を再神経支配する方法を明らかにする可能性があります。^[21]