心臓病のための細胞治療の化学工学

Chemical Engineering of Cell Therapy for Heart Diseases.

• Zhenhua Li
• Shiqi Hu
• Ke Cheng

抄録

心血管疾患（CVD）は世界的に大きな健康問題となっている。成人心筋細胞は生まれて間もなく細胞周期から不可逆的に離脱するため、心筋梗塞（MI）のような心筋損傷を受けた後の心筋細胞の増殖・再生は困難である。私たちが第一世代の治療戦略と呼ぶ生きた細胞を用いた治療法は、CVDを含む多くの疾患の治療に広く利用されてきました。しかし、細胞を用いた治療法では、移植された細胞の保持力が弱く、静脈内投与では肺に細胞が大量に取り込まれてしまうという問題がありました。もう一つの大きな問題は、生細胞の保存・出荷安定性が低いことであり、生細胞製品の製造可能性を制限している。化学工学の分野では、化学物質、原料、生細胞、微生物、エネルギーを有用な形態や製品に変換するための大規模なプロセスを設計することに焦点を当てています。定義によれば、化学技術者は、材料を生産、変換、輸送するためのプロセスを構想し、設計します。これは、細胞治療の方向性と一致しています。"生細胞から人工人工細胞への「生成」、裸細胞から細胞/マトリックス/因子の組み合わせへの「変換」、そして単純な全身注射から標的型デリバリーへの「輸送」。このように、ここでは「細胞治療の化学工学」を概念として紹介する。本アカウントでは、傷ついた心臓を修復するための化学工学的アプローチを開発するための最近の取り組みを要約する。細胞の保持と統合が悪いという限界に対処するために、最初のステップは、注射前の幹細胞の人工的な操作であった（これを第二世代の治療戦略と呼ぶ）。例えば、心臓の間質/幹細胞（CSC）の表面に血小板膜を融合させることで、血小板膜の自然な梗塞標的化能力を利用した。そうすることで、血小板膜が血管系を通じて心筋梗塞部位に運ばれる速度が向上した。天然のCSCを改変することに加えて、心筋再生のための高分子マイクロニードルパッチにCSCをカプセル化するというバイオエンジニアリングのアプローチを説明した。痛みのないマイクロニードルパッチをin situデリバリーデバイスとして使用し、負荷されたCSCを直接心筋再生の心臓に輸送した。細胞保持率の低さに加えて、生細胞の保管・輸送の安定性や安全性に関する懸念など、さらなる臨床応用が可能になるまでに対処しなければならない障壁がいくつか存在する。そこで我々は、心臓細胞治療のための無細胞アプローチを利用した第三世代の治療戦略を開発した。数多くの研究により、幹細胞を用いた心臓修復はパラクリン機構によって説明できることが示されている。自然の幹細胞やその分泌物を模倣したり、適応させたり、生体適合性のある材料と組み合わせて使用することで、第一世代や第二世代の治療法に伴う合併症を回避しながら、自然の幹細胞の機能をシミュレートすることが可能となる。さらに、内因性幹細胞を捕捉し、梗塞部位に直接輸送するアプローチを開発することも可能である。これらの第三世代の治療戦略を用いることで、私たちは心臓細胞治療のための前例のない機会を提供することができます。私たちのデザインが、臨床応用のための新しい心臓細胞治療薬として、無細胞システムの変換、輸送、および製造のための化学工学的アプローチの使用を促進することを期待しています。

Cardiovascular disease (CVD) is a major health problem worldwide. Since adult cardiomyocytes irreversibly withdraw from the cell cycle soon after birth, it is hard for cardiac cells to proliferate and regenerate after myocardial injury, such as that caused myocardial infarction (MI). Live cell-based therapies, which we term as first generation of therapeutic strategies, have been widely used for the treatment of many diseases, including CVD. However, cellular approaches have the problems of poor retention of the transplanted cells and the significant entrapment of the cells in the lungs when delivered intravenously. Another big problem is the low storage/shipping stability of live cells, which limits the manufacturability of living cell products. The field of chemical engineering focuses on designing large-scale processes to convert chemicals, raw materials, living cells, microorganisms, and energy into useful forms and products. By definition, chemical engineers conceive and design processes to produce, transform, and transport materials. This matches the direction that cell therapies are heading toward: "produce", from live cells to synthetic artificial cells; "transform", from bare cells to cell/matrix/factor combinations; and "transport". from simple systemic injections to targeted delivery. Thus, we hereby introduce the "chemical engineering of cell therapies" as a concept. In this Account, we summarize our recent efforts to develop chemical engineering approaches to repair injured hearts. To address the limitations of poor cellular retention and integration, the first step was the artificial manipulation of stem cells before injections (we term this the second generation of therapeutic strategies). For example, we took advantage of the natural infarct-targeting ability of platelet membranes by fusing them onto the surface of cardiac stromal/stem cells (CSCs). By doing so, we improved the rate at which they were delivered through the vasculature to sites of MI. In addition to modifying natural CSCs, we described a bioengineering approach that involved the encapsulation of CSCs in a polymeric microneedle patch for myocardium regeneration. The painless microneedle patches were used as an in situ delivery device, which directly transported the loaded CSCs to the MI heart. In addition to low cell retention, there are some other barriers that need to be addressed before further clinical application is viable, including the storage/shipping stability of and the evident safety concerns about live cells. Therefore, we developed the third generation of therapeutic strategies, which utilize cell-free approaches for cardiac cell therapies. Numerous studies have indicated that paracrine mechanisms reasonably explain stem cell based heart repair. By imitating or adapting natural stem cells, as well as their secretions, and using them in conjunction with biocompatible materials, we can simulate the function of natural stem cells while avoiding the complications association with the first and second generation therapeutic options. Additionally, we can develop approaches to capture endogenous stem cells and directly transport them to the infarct site. Using these third generation therapeutic strategies, we can provide unprecedented opportunities for cardiac cell therapies. We hope that our designs will promote the use of chemical engineering approaches to transform, transport, and fabricate cell-free systems as novel cardiac cell therapeutic agents for clinical applications.