インスリン注射はもう不要！？糖尿病治療に新たな道筋を示す海藻マイクロカプセル

　糖尿病は死亡原因の上位を占めている疾患です。1型糖尿病の患者は、インスリン産生細胞が免疫作用により破壊されるため、毎日インスリン注射を打たなくてはなりません。インスリン摂取量を劇的に減らし、インスリン投与への依存を断ち切るための効果的な治療法は、膵臓にあるランゲルハンス島（膵島）を移植することです。移植者の肝臓にインスリン産生細胞を注入すると、適応期間を経たあとに糖尿病患者に必要な量のホルモンが産生され始めます。

　近年、ランゲルハンス島の移植工程は大幅に改善されましたが、インスリン産生細胞の安全な採取や保存、輸送にはいまだ多くの課題が伴います。しかし、今回ドイツの科学誌 Advanced Healthcare Materials で報告された沖縄科学技術大学院大学（OIST）とワシントン大学、武漢理工大学による共同研究の結果には、これらの課題のいくつかは解決策が提示されています。

　インスリンは消化器系の臓器である膵臓の中で産出・分泌されます。インスリンを分泌する細胞は膵臓の中にあるランゲルハンス島と呼ばれる内分泌腺に集積しています。ランゲルハンス島は、生体機能を正常に保つために極めて重要な役割を果たしているにもかかわらず、その大きさは膵臓全体のわずか数パーセントでしかありません。ランゲルハンス島の移植は大規模な外科手術を必要とせず、局所麻酔で済む場合がほとんどです。また、膵臓ごと移植する場合に比べ、安価で安全な手術がおこなえます。しかし、残念ながら現在はヒト同士の同種移植しかできないため、移植に必要なランゲルハンス島の数は多くありません。

　ランゲルハンス島の保存・輸送の際には超低温凍結法が一般的に用いられます。しかし、現行の冷凍保存方法が完璧であるとは言えません。マイナス190度といった極低温の保存温度が細胞にとって最も危険な状態だと指摘する人もいます。実は、細胞には温度に適応することができる耐性が備わっているので、低温での保存自体が問題となるわけではありません。細胞がダメージを受けるリスクが最も高いのは凍結している最中（-15度から-60度）です。細胞を冷却し続けると、細胞内部や細胞と細胞の間にある水が凍結し始め氷晶を形成します。この組織内にできた鋭い氷晶が細胞膜を貫通し細胞を物理的・機能的に破壊してしまいます。また、氷晶が解凍する際にも凍結する時と同様の問題が生じます。

　そこで、OISTのマイクロ・バイオ・ナノ流体ユニットを率いるエイミー・シェン教授の学際的な研究グループは、凍結時の危険からランゲルハンス島を保護するだけでなく、リアルタイムで細胞の生存状態まで確認できる超低温凍結保存の新たな手法を開発しました。さらに、この新手法を用いれば、移植による拒絶反応を軽減し、患者の健康に有害な影響を及ぼす免疫抑制剤の使用を減らすことができるかもしれません。

マイクロ流体装置の一例

　OISTの研究チームが開発した新手法は、微小液滴を生成するマイクロ流体装置を用いて、ランゲルハンス島をハイドロゲルで包み込みます。同研究チームが使用しているハイドロゲルカプセルは海藻から抽出した天然高分子、アルギン酸塩で作られています。ハイドロゲルカプセルは凍らない水を大量に含む多孔質の微小構造が特徴で、カプセル内には自由水、凍結結合水、不凍水といった3種類の水が含まれています。自由水は通常の水のことで、摂氏零度で凍結し氷晶が生成されます。凍結結合水も凍ると結晶化しますが、より低い温度で凍結します。不凍水はその名のとおり凍りません。これは、水分子とハイドロゲルの複雑な高分子網目構造とが強力に結合しているためです。不凍水を多く含んだハイドロゲルカプセルは細胞を氷晶によるダメージから守り、凍結防止剤の使用を減らすことができます。凍結防止剤には凍結によるダメージを回避する、あるいは最小限に抑える働きがありますが、高濃度のものには毒性作用もあります。

　研究チームが提案したもう一つの画期的な方法は、酸素感受性蛍光色素をハイドロゲルカプセルの中に加えるというものです。カプセルに付与された蛍光色素は、ランゲルハンス島の酸素量をリアルタイムで測定するセンサーの役割を果たします。その際に、酸素の摂取量を見れば、細胞が生きて健康な状態であることを確認できるというわけです。シンプルで時間効率にも優れており、価格も安価なこの観測方法を用いれば、細胞の生存状態を個別あるいは細胞群としてもまとめて調べることができます。

シェン教授が率いる学際的な研究グループが開発したランゲルハンス島の超低温保存法の概略図。

　さらに、ランゲルハンス島のカプセル化により、移植細胞に対する患者の拒絶反応のリスクを軽減することができます。ハイドロゲルカプセルは、栄養素や膵臓からの分泌物といった小さな分子を容易に通過させますが、移植細胞と宿主細胞が直接接触するのを防ぎます。また、カプセル化することで、患者のランゲルハンス島を破壊したそもそもの原因である自己免疫反応から移植細胞を保護することができます。

　このマイクロカプセル化が実用化されれば、移植に必要な臓器不足や、細胞の生存状態を個別に確認できる容易で安全な評価方法の欠如といった、ランゲルハンス島の移植にともなう重要課題を解消することができるでしょう。そうすれば、1型糖尿病で苦しむ患者がインスリン注射から解放され、普通の生活を取り戻すことも可能になります。