口腔粘膜組織工学

口腔粘膜の組織工学は、細胞、材料、工学を組み合わせて、口腔粘膜の3次元再構成物を作成するものです。これは、口腔粘膜の実際の解剖学的構造と機能をシミュレートすることを目的としています。組織工学で作られた口腔粘膜は、口腔内の軟組織欠損の置換などの臨床使用に有望です。 ^{[1]これらの欠損は、歯に関連する欠損である}歯肉退縮（歯肉退縮）と、歯に関連しない欠損の2つの主要なカテゴリに分けられます。歯に関連しない欠損は、外傷、慢性感染症、または腫瘍切除やアブレーション（口腔がんの場合）によって引き起こされる欠損の結果である可能性があります。損傷した口腔粘膜を置換するための一般的なアプローチは、自家移植片と培養上皮シート の使用です。

自家移植は、同じ体のある部位から別の部位に組織を移植するために使用されます。自家移植を使用すると、移植拒絶反応を防ぐことができます。口腔再建に使用される移植片は、口腔自体から採取されるのが望ましいです（歯肉移植や口蓋移植など）。しかし、入手が限られておりサイズが小さいため、より大きな欠損部をカバーするには皮膚移植または腸粘膜のいずれかが使用されます。^[2]

組織不足のほかに、ドナー部位の病的状態は、自家移植を使用する場合に起こりうる一般的な問題です。組織を口腔以外の場所 (腸や皮膚など) から採取する場合、移植片が元のドナー組織の特性を失わないリスクがあります。たとえば、皮膚移植片は、より広範囲の欠損部を被覆する場合、多くの場合、前腕 橈側または上腕外側 部から採取されます。皮膚移植片を使用する利点は、皮膚が豊富に入手できることです。ただし、皮膚移植片は、粘稠度、色、角質化パターンの点で口腔粘膜とは異なります。移植された皮膚移植片は、口腔内で毛髪を成長させ続けることがよくあります。

全層人工口腔粘膜の構築における課題をより深く理解するには、まず正常な口腔粘膜の構造を理解することが重要です。正常な口腔粘膜は、最上部の重層扁平上皮層と最下部の粘膜固有層の 2 つの層で構成されています。上皮層は 4 つの層で構成されています。

• 基底層
• 有棘層（棘層）
• 顆粒層（顆粒層）
• 角質層（角質化層/表層）

口の領域によって、上皮は角質化または非角質化される。非角質化扁平上皮は、軟口蓋、唇、頬、口底を覆っている。角質化扁平上皮は、歯肉と硬口蓋に存在している。^[3]角質化とは、顆粒層のケラチノサイトが死んだ表面細胞に分化して角質層を形成することである。細胞は、表面（前駆細胞が存在する基底層から死んだ表層）へ移動するにつれて最終的に分化する。粘膜固有層は、I型およびIII型コラーゲンとエラスチン繊維のネットワークからなる線維性結合組織層である。粘膜固有層の主な細胞は線維芽細胞であり、細胞外マトリックスの生成を担っている。基底膜は、上皮層と粘膜固有層の境界を形成している。

細胞培養技術により、損傷した口腔粘膜の置換に用いる上皮シートを作製することが可能となった。部分層組織工学では、単層または多層の1種類の細胞層を使用する。単層上皮シートは、機械的ストレス、成長因子の添加、放射線障害などの刺激に対する反応など、口腔粘膜の基礎生物学の研究には十分である。しかし、口腔粘膜は増殖・分化細胞を含む複雑な多層構造であり、単層上皮シートは脆弱で、取り扱いが難しく、支持細胞外マトリックスがないと収縮しやすいことが分かっている。単層上皮シートは、多層培養の製造に使用することができる。これらの多層上皮シートは、基底膜の形成や角質化などの分化の兆候を示す。^[1]線維芽細胞は細胞外マトリックスで最も一般的な細胞であり、上皮の形態形成に重要である。マトリックスに線維芽細胞が存在しない場合、上皮は増殖を停止しますが、分化は継続します。部分層口腔粘膜工学によって得られた構造は、全層口腔粘膜工学の基礎を形成します。

組織工学の進歩により、代替アプローチが開発されました。それは、全層人工口腔粘膜です。全層人工口腔粘膜は、本来の口腔粘膜の解剖学的構造を考慮に入れているため、生体内の状況をより良くシミュレートします。全層人工口腔粘膜を使用すると、組織不足やドナー部位の罹患率などの問題は発生しません。

全層人工口腔粘膜を作製する際の主な目標は、通常の口腔粘膜にできるだけ似せることです。これは、異なる細胞タイプとスキャフォールドの組み合わせを使用することで実現されます。

• 粘膜固有層: 細胞外マトリックスを生成する口腔線維芽細胞を生体適合性（多孔質）スキャフォールドに播種し、線維芽細胞分化培地で培養することで模倣されます。
• 基底膜: IV 型コラーゲン、ラミニン、フィブロネクチン、インテグリンを含みます。理想的には、基底膜には透明板と緻密板が含まれている必要があります。
• 重層扁平上皮：上皮成長因子（EGF）などの角化細胞成長因子を含む培地で培養された口腔角化細胞によって模倣される。^[1]

最良の結果を得るためには、口腔粘膜組織工学で使用される線維芽細胞とケラチノサイトの種類と由来が、考慮すべき重要な要素です。線維芽細胞は通常、皮膚の真皮または口腔粘膜から採取されます。ケラチノサイトは、口腔内のさまざまな領域 (口蓋や歯肉など) から分離できます。線維芽細胞とケラチノサイトの機能は時間とともに低下するため、できるだけ早い段階で使用することが重要です。移植されたケラチノサイトと線維芽細胞は、新しい環境に適応し、その機能を発揮する必要があります。細胞が適切に適応しないと、移植組織が失われるリスクがあります。ドナー組織細胞が天然組織の細胞に似ている場合、この適応はよりスムーズに行われます。

スキャフォールドまたはマトリックスは、細胞が目的の組織に 3 次元的に成長できる最初の構造である一時的な支持構造 (細胞外マトリックス) として機能します。スキャフォールドは、細胞の成長と分化に必要な環境を提供する必要があります。また、機械的ストレスに耐え、成長を導く強度を提供する必要があります。さらに、スキャフォールドは生分解性であり、組織が再生するのと同じ速度で分解して、ホスト組織に最適に置き換えられる必要があります。^[要出典]選択できるスキャフォールドは多数あり、スキャフォールドを選択する際には、生体適合性、多孔性、安定性も考慮する必要があります。^[4] 口腔粘膜組織工学に使用できるスキャフォールドは次のとおりです。

• 無細胞真皮。無細胞真皮は、分層皮膚から細胞（表皮と真皮線維芽細胞）を除去することによって作られます。無細胞真皮には 2 つの面があり、片面には上皮細胞に適した基底膜があり、もう片面には血管経路がそのまま残っているため線維芽細胞の浸潤に適しています。無細胞真皮は耐久性があり、構造を維持でき、免疫反応を引き起こしません（非免疫原性）。
• 羊膜。胎盤の内側部分である羊膜は、コラーゲン IV 型とラミニンからなる厚い基底膜と無血管の結合組織で構成されています。

線維芽細胞を含んだ皮膚代替品は、2 ～ 3 週間以内に増殖して細胞外マトリックスと成長因子を生成することができる線維芽細胞を含む足場です。これにより、真皮に似たマトリックスが作成されます。市販されているタイプには、次のものがあります。

• ダーマグラフト
• アプリグラフ
• オルセル
• ポリアクティブ
• ヒアログラフ3D ^[1]

ゼラチンはコラーゲンの変性形態です。ゼラチンは組織工学の用途において、線維芽細胞を引き寄せ、免疫原性がなく、操作が容易で、上皮の形成を促進するなど、いくつかの利点があります。ゼラチンベースの足場には 3 つのタイプがあります。

• ゼラチン酸化デキストランマトリックス^[5]
• ゼラチン-キトサン-酸化デキストランマトリックス^[4]
• ゼラチン-グルカンマトリックス
• ゼラチンヒアルロン酸マトリックス
• ゼラチンキトサンヒアルロン酸マトリックス。

グルカンは抗菌性、抗ウイルス性、抗凝固性を持つ多糖類です。ヒアルロン酸はマトリックスの生物学的特性と機械的特性を改善するために添加されます。^[1]

コラーゲンは細胞外マトリックスの主成分です。コラーゲン足場は線維芽細胞の成長を効率的にサポートし、その結果、ケラチノサイトが多層にうまく成長できるようになります。コラーゲン（主にコラーゲンI型）は、生体適合性があり、免疫原性がなく、入手しやすいため、足場としてよく使用されます。しかし、コラーゲンは比較的急速に生分解し、機械的な力に耐えることができません。コラーゲンベースのマトリックスを架橋することで、特性を改善できます。これは、不安定性と機械的特性を修正する効果的な方法です。^[6]

複合コラーゲンベースの足場は、組織工学用のこれらの足場の機能を改善する試みとして開発されてきた。複合コラーゲン足場の例としては、コラーゲンキトサンマトリックスがある。キトサンは、化学的にセルロースに類似した多糖類である。コラーゲンとは異なり、キトサンは比較的ゆっくりと生分解する。しかし、キトサンは線維芽細胞との生体適合性があまり高くない。ゼラチンまたはコラーゲンを含む足場の安定性とキトサンの生体適合性を改善するには、2つを架橋することで、互いの欠点を補う。^{[4] [6]}

コラーゲン-エラスチン膜、コラーゲン-グリコサミノグリカン（C-GAG）マトリックス、架橋コラーゲンマトリックスインテグラとテルデルミスは複合コラーゲンスキャフォールドの他の例です。^[7]

牛コラーゲン中の同種培養ケラチノサイトおよび線維芽細胞（Gintuit）は、米国食品医薬品局（FDA）によって承認された、同種ヒト細胞と牛コラーゲンから作られた最初の細胞ベースの製品です。^[8]これは同種細胞化スキャフォールド製品であり、2012年3月に米国で医療用として承認されました。^[9]

フィブリンベースの足場には、ケラチノサイトに安定性を与えるフィブリンが含まれています。さらに、複製や取り扱いが簡単です。^[1]

ハイブリッドスキャフォールドは、合成材料と天然材料を組み合わせた皮膚代替品です。ハイブリッドスキャフォールドの例としては、HYAFFやLaserskinがあります。これらのハイブリッドスキャフォールドは、優れたin vitroおよびin vivo生体適合性を示しており、生分解性は制御可能です。^[7]

足場に天然素材を使用することには欠点があります。通常、天然素材は高価で、大量に入手できず、病気の伝染のリスクがあります。これが合成足場の開発につながりました。合成足場を製造する場合、その特性を完全に制御できます。たとえば、優れた機械的特性と適切な生分解性を持つようにすることができます。合成足場に関しては、厚さ、多孔性、および気孔サイズが結合組織の形成を制御するための重要な要素です。合成足場の例は次のとおりです。

• ポリエチレンテレフタレート膜（PET膜）
• ポリカーボネート透過膜（PC膜）
• 多孔質ポリ乳酸グリコール酸（PLGA）^[要出典]

合成スキャフォールドを製造するためのエレクトロスピニングの歴史的使用は、少なくとも 1980 年代後半にまで遡ります。このときサイモンは、この技術を使用して、特にin vitro細胞および組織基質として使用することを目的としたポリマー溶液からナノおよびサブミクロン スケールの繊維状スキャフォールドを製造できることを示しました。細胞培養および組織工学におけるエレクトロスピニング格子のこの初期の使用により、さまざまな細胞タイプがポリカーボネート繊維に付着して増殖することが示されました。2D 培養で一般的に見られる平坦な形態とは対照的に、エレクトロスピニング繊維上で増殖した細胞は、生体内の組織で一般的に観察されるより丸みを帯びた 3 次元形態を示すことが注目されました。^[10]

まだ臨床用途には商品化されていないが、全層人工口腔粘膜を用いた口腔内および口腔外治療に関する臨床研究が行われてきた。全層人工口腔粘膜は主に顎顔面再建手術および歯周インプラント周囲再建に使用され、良好な臨床および組織学的結果が得られている。例えば、血管の成長が見られ、移植されたケラチノサイトは天然上皮によく統合される。全層人工口腔粘膜は、尿道再建、眼表面再建、眼瞼再建などの口腔外用途でも良好な結果を示している。^[1]