(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１）少なくとも１つの第１の生物適合性ポリマー繊維を有する、第１の不織層であって、前記第１の不織層は第１の所定のパターンを有する、第１の不織層と、
（２）少なくとも１つの第２の生物適合性ポリマー繊維を有する、第２の不織層であって、前記第２の不織層は第２の所定のパターンを有する、第２の不織層と、を有し、
前記第１の所定のパターン及び前記第２の所定のパターンは、同じまたは異なるが、異なる方向に向いており、
前記第１の層及び第２の層は、別々にあるいは組み合わせて孔を構成する、
連続気泡マトリックスを有する、
３次元細胞骨格。
【請求項２】
前記生物適合性ポリマーは合成ポリマー、天然ポリマーまたはそれらの組合せである、請求項１に記載の細胞骨格。
【請求項３】
前記生物適合性ポリマーは生物分解性であるか、或いは生物分解性および生物安定性の組合せである、請求項２に記載の細胞骨格。
【請求項４】
前記生物適合性ポリマーは、ポリＬ−乳酸（ＰＬＡ）、ポリグリコール酸（ＰＧＡ）、アルギネート、ヒアルロン酸およびそれらのコポリマーおよび混合物よりなる群のうちの少なくとも１つである、請求項３に記載の細胞骨格。
【請求項５】
前記生物分解性ポリマーはアルギネートまたはコラーゲンよりなる、請求項４に記載の細胞骨格。
【請求項６】
前記孔は一様な形状を有する、請求項１に記載の細胞骨格。
【請求項７】
前記一様な形状は実質的に円形、楕円形または直線で囲まれた形である、請求項６に記載の細胞骨格。
【請求項８】
前記孔の孔径は約０.５ミクロンから約１００ミクロンまでの範囲にある、請求項１に記載の細胞骨格。
【請求項９】
前記孔径は約１ミクロンから約５０ミクロンまでの範囲にある、請求項１に記載の細胞骨格。
【請求項１０】
前記マトリックスの孔容積分率は約６０％から約９８％までである、請求項１に記載の細胞骨格。
【請求項１１】
前記孔容積分率は約８０％から約９８％までである、請求項１０に記載の細胞骨格。
【請求項１２】
前記マトリックスの形状は、シート、管、円筒体、球体、半円形体、立方体、矩形体、楔および不規則な形状よりなる群から選択されるものである、請求項１に記載の細胞骨格。
【請求項１３】
前記マトリックスの形状は、内面および外面を有する壁を有する管であり、前記壁の厚さは、約０．５ｍｍから約２ｍｍまでであり、前記壁内の孔の孔径は前記壁の内面から外面まで勾配を形成するようになっている、請求項１に記載の細胞骨格。
【請求項１４】
前記内面における孔の孔径は約２μｍないし約５μｍであり、前記外面における孔の孔径は約３０μｍないし約６０μｍである、請求項１３に記載の細胞骨格。
【請求項１５】
前記マトリックスの形状は、頂面および底面を有する、厚さが約５ｍｍのシートであり、前記シート内の孔の孔径は、前記頂面から底面まで勾配を形成するようになっている、請求項１に記載の細胞骨格。
【請求項１６】
前記頂面および底面のいずれか一方の面における前記孔の孔径は、少なくとも表皮細胞の直径に対応し、他方の面における前記孔の孔径は、少なくとも線維芽細胞の直径に対応している、請求項１５に記載の細胞骨格。
【請求項１７】
前記第１のポリマーおよび前記第２のポリマーは異なっている、請求項１に記載の細胞骨格。
【請求項１８】
前記第１のポリマーは生物分解性ポリマーＡであり、前記第２のポリマーは生物安定性ポリマーＢである、請求項１７に記載の細胞骨格。
【請求項１９】
前記前記生物分解性ポリマーＡは、ポリＬ−乳酸（ＰＬＡ）、ポリグリコール酸（ＰＧＡ）、コラーゲン、ゼイン、カゼイン、ゼラチン、グルテン、血清アルブミン、アルギネート、ヒアルロン酸およびそれらの混合物およびコポリマーよりなる群から選択されたものある、請求項１８に記載の細胞骨格。
【請求項２０】
前記生物安定性ポリマーＢは、ポリ（３−ヒドロキシアルカノエート）、ポリ（３−ヒドロキシオクタノエート）、ポリ（３−ヒドロキシ脂肪酸）、ポリホスファゼン、ポリ（ビニルアルコール）、ポリアミド、ポリエステルアミド、ポリアミノ酸、ポリアンヒドリド、ポリカーボネート、ポリアクリレート、ポリアルキレン、ポリアルキレングリコール、ポリアルキレンオキシド、ポリアルキレンテレフタレート、ポリオルトエステル、ポリビニルエーテル、ポリビニルエステル、ポリビニルハライド、ポリエステル、ポリラクチド、ポリグリコキシド、ポリシロキサン、ポリウレタン、ＳＩＢＳブロックポリマー、およびそれらの混合物およびコポリマーよりなる群から選択されたものある、請求項１８に記載の細胞骨格。
【請求項２１】
前記生物安定性ポリマーＢはＳＩＢＳブロックポリマーである、請求項２０に記載の細胞骨格。
【請求項２２】
Ａ−Ｂ、Ａ−Ｂ−ＡおよびＡ−Ｂ−Ａ−Ｂ−Ａよりなる郡から選択されたパターンによるポリマーＡ（Ａ）およびポリマーＢ（Ｂ）の層を有している請求項１８に記載の細胞骨格。
【請求項２３】
前記マトリックスの少なくともいくつかの孔の孔径は、表皮細胞の直径を受入れるのに十分であり、前記マトリックスの少なくともいくつかの孔の孔径は、線維芽細胞の直径を受入れるのに十分である、請求項１８に記載の細胞骨格。
【請求項２４】
前記マトリックスの形状は管であり、前記孔の孔径は食道表皮細胞の直径を受入れるのに十分である、請求項１２に記載の細胞骨格。
【請求項２５】
栄養素、血管形成因子、免疫学的調整因子、薬剤、サイトカイニン、細胞外蛋白質、ポロテオグリカン、グリコサミノグリカン、多糖類、成長因子およびＲＧＤペプチドよりなる群から選択された少なくとも１つの生物学的活性剤を更に含有している、請求項１に記載の細胞骨格。
【請求項２６】
前記細胞外蛋白質は、フィブロネクチン、ラミニン、ビトロネクチン、テナシン、エンタクチン、スロモボスポンディン、エラスチン、ゼラチン、コラーゲン、フィブリン、メロシン、アンコリン、コンドロイチン、結合蛋白質、骨唾液蛋白質、オステオカルシン、オステオポンチン、エピネクチン、ヒアルロネクチン、アンデュリン、エピリグリンおよびカリニンよりなる群から選択されるものである、請求項２５に記載の細胞骨格。
【請求項２７】
前記成長因子は、血小板誘導成長因子、インスリン状成長因子、線維芽細胞成長因子、変態成長因子）、骨形態形成蛋白質、血管内皮成長因子、胎盤成長因子；表皮成長因子、インターロイキン、コロニー刺激因子、神経成長因子、幹細胞因子、肝細胞成長因子、および繊毛神経栄養因子よりなる群から選択されるものである、請求項２５に記載の細胞骨格。
【請求項２８】
前記薬剤は免疫学的抑制剤、抗凝固剤および抗生物質よりなる群のうちの少なくとも１つである、請求項２５に記載の細胞骨格。
【請求項２９】
ステント、ロッド、フック、バンドおよびコイルよりなる群から選択された支持体を更に備えている請求項１に記載の細胞骨格。
【請求項３０】
被膜を更に備えている請求項１に記載の細胞骨格。
【請求項３１】
前記被膜はヒアルロン酸よりなる、請求項３０に記載の細胞骨格。
【請求項３２】
細胞を含有する培養物質を更に備えている請求項１に記載の細胞骨格。
【請求項３３】
前記細胞は、表皮細胞、ケラチン生成細胞、脂肪細胞、肝細胞、神経細胞、神経膠細胞、星状膠細胞、上皮細胞、乳房表皮細胞、鳥細胞、内皮細胞、間葉細胞、真皮線維芽細胞、間皮細胞、幹細胞、造骨細胞、平滑筋細胞、横紋筋細胞、靱帯線維芽細胞、腱線維芽細胞および軟骨細胞よりなる群から選択されるものである、請求項３２に記載の細胞骨格。
【請求項３４】
請求項１の細胞骨格をヒト以外の哺乳動物に植え込むことよりなる哺乳動物における組織を再生する方法。
【請求項３５】
前記生物適合性ポリマーは、ポリＬ−乳酸（ＰＬＡ）、ポリグリコール酸（ＰＧＡ）、アルギネート、ヒアルロン酸、セルロース、デキストラン、プラン、キチン、ポリ（３−ヒドロキシアルカノエート）、ポリ（３−ヒドロキシオクタノエート）、ポリ（３−ヒドロキシ脂肪酸）、コラーゲン、ゼイン、カゼイン、ゼラチン、グルテンおよび血清アルブメン、ポリホスファゼン、ポリビニルアルコール、ポリアミド、ポリエステルアミド、ポリアミノ酸、ポリアンヒドリド、ポリカーボネート、ポリアクリレート、ポリアルキレン、ポリアルキレングリコール、ポリアルキレンオキシド、ポリアルキレンテレフタレート、ポリオルトエステル、ポリビニルエーテル、ポリビニルエステル、ポリビニルハライド、ポリエステル、ポリラクチド、ポリグリコキシド、ポリシロキサン、スチレンイソブチルスチレンブロックポリマー、ポリウレタン、およびそれらのコポリマーおよび混合物よりなる群のうちの少なくとも１つである、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記マトリックスは、
（ａ）ポリＬ−乳酸（ＰＬＡ）、ポリグリコール酸（ＰＧＡ）、アルギネート、ヒアルロン酸およびそれらのコポリマーおよび混合物よりなる群から選択される生物分解性ポリマーと、
（ｂ）スチレンイソブチルスチレンブロックポリマー、ポリウレタンおよびそれらのコポリマーおよび混合物よりなる群から選択される生物安定性ポリマーと、
の組合せから形成されている、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記マトリックスの形状は、シート、管、円筒体、球体、半円形体、立方体、矩形体、楔および不規則な形状よりなる群から選択されるものである、請求項３４に記載の方法。
【請求項３８】
前記植え込み工程前に細胞を前記細胞骨格に播種する工程を更に備えている請求項３４に記載の方法。
【請求項３９】
前記細胞は、表皮細胞、ケラチン生成細胞、脂肪細胞、肝細胞、神経細胞、神経膠細胞、星状膠細胞、上皮細胞、乳房表皮細胞、鳥細胞、内皮細胞、間葉細胞、真皮線維芽細胞、間皮細胞、幹細胞、造骨細胞、平滑筋細胞、横紋筋細胞、靱帯線維芽細胞、腱線維芽細胞、軟骨細胞および線維芽細胞よりなる群から選択されるものである、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記組織は、神経、皮膚、血管、心臓、心膜、筋肉、眼球、歯周、骨、軟骨、腱、靱帯、胸、膵臓、食道、胃、血管、腎臓、肝臓、乳房、副腎、泌尿器および腸よりなる群から選択されるものである、請求項３４に記載の方法。
【請求項４１】
前記植え込み前に前記細胞骨格を少なくとも１つの生物学的活性剤で処理する工程を更に備えている請求項３４に記載の方法。
【請求項４２】
前記生物学的活性剤は、細胞外蛋白質、成長因子、栄養素、血管形成因子、免疫学的調整因子、薬剤、サイトカイニン、細胞外蛋白質、ポロテオグリカン、グリコサミノグリカン、多糖類よりなる群のうちの少なくとも１つである、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
胃食道逆流病（ＧＥＲＤ）を治療するためのデバイスの製造方法であって、
不織３次元連続気泡管状マトリックスを形成するように構成された複数の線維から形成される請求項１に記載された生物適合性ポリマーマトリックスを形成する工程を備えており、前記マトリックスは、食道表皮細胞の直径を受入れるのに十分である所定の孔容積分率、所定の孔形状および所定の孔径を有しており、前記マトリックスは、前記複数の繊維間の複数の連結部を有しており、
前記マトリックスを食道表皮細胞または幹細胞で播種する工程と、を備えている、胃食道逆流病を治療するためのデバイスの製造方法。
【請求項４４】
前記所定の孔径は、前記管状マトリックスの内径に向けて約２μｍないし約５μｍから管状マトリックスの外径に向けて約３０μｍないし約６０μｍまで及ぶ孔径の勾配を有している、請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記生物適合性管状マトリックスはアルギネートから製造されている、請求項４３に記載の方法。
【請求項４６】
管状ステントを前記生物適合性マトリックスと組合せる工程を更に備えている請求項４３に記載の方法。
【請求項４７】
前記生物適合性マトリックスをヒアルロン酸で被覆する工程を更に備えている請求項４３に記載の方法。
【請求項４８】
生物活性剤を前記生物適合性マトリックスに投与する工程を更に備えている請求項４３に記載の方法。
【請求項４９】
前記細胞は、自家性、異種性、他生性および近似性よりなる群から選択されるものである、請求項４３に記載の方法。
【請求項５０】
前記細胞は自家性である、請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
ヒト以外の哺乳動物から病んだ食道組織を取除く方法であって、
不織３次元連続気泡管状マトリックスを形成するように構成された複数の線維から形成される請求項１に記載された生物適合性ポリマーマトリックスを形成する工程を備えており、前記マトリックスは、所定の孔容積分率、所定の孔形状および所定の孔径を有しており、前記マトリックスは、前記複数の繊維間の複数の連結部を有しており、
前記マトリックスを所定濃度の細胞破壊化合物で処理する工程と、
前記マトリックスをヒト以外の哺乳動物の食道空間に植え込む工程と、を備えている、病んだ食道組織を取除く方法。
【請求項５２】
前記細胞破壊化合物はアルカリ液および過酸化物よりなる群から選択されるものである請求項５０に記載の方法。
【請求項５３】
少なくとも１つの生物適合性ポリマーを適合性溶媒と混合して流動性ポリマー混合物を形成する工程と、
少なくとも第１の方向（ｘ）およびこの第１の方向と垂直な第２の方向（ｙ）において移動可能であるテーブルに前記ポリマー混合物から形成された少なくとも１つの線維を付ける工程と、
前記マトリックスを形成するように少なくとも前記テーブルの移動を制御する工程とから形成される請求項１に記載の３次元細胞骨格。
【請求項５４】
請求項１に記載の細胞骨格と、
モデル化すべき組織からの複数の成長可能な細胞と、を備えており、前記成長可能な細胞は前記細胞骨格において培養される、組織モデル化キット。
【請求項５５】
栄養素、血管形成因子、免疫学的調整因子、薬剤、サイトカイニン、細胞外蛋白質、ポロテオグリカン、グリコサミノグリカン、多糖類、成長因子およびＲＧＤペプチドよりなる群から選択された少なくとも１つの生物学的活性剤を更に含有している、請求項５４に記載の組織モデル化キット。
【請求項５６】
組織に対する毒性を試験する方法であって、
請求項１に記載の細胞骨格を形成し、前記細胞骨格の形状は試験すべき組織の少なくとも一部に似ており、
前記組織から得られる細胞を前記細胞骨格において培養し、
所定投与量の試験剤を前記細胞骨格に投与し、
前記投与量に対する細胞の応答を測定することを備えている組織の対する毒性を試験する方法。
【請求項５７】
前記組織から得られる細胞を対照細胞骨格において培養する工程と、
或る投与量の対照剤を前記対照骨格に投与する工程と、
前記投与量に対する対照応答を測定する工程と、
前記細胞の応答を前記対照応答と比較する工程と、を更に備えている請求項５６に記載の方法。
【請求項５８】
前記投与量は前記剤の一連の希釈物であり、前記比較工程で得られた細胞の応答結果から投与量応答曲線を生じる工程を更に備えている、請求項５６に記載の方法。
【請求項５９】
前記細胞の応答は細胞の死滅である、請求項５６に記載の方法。
【請求項６０】
前記投与量は発癌性物質のものである、請求項５６に記載の方法。
【請求項６１】
前記細胞は病気状態の細胞であり、前記試験剤は薬剤候補物質である、請求項５６に記載の方法。
【請求項６２】
前記細胞は癌細胞である、請求項５６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、組織の工学設計、特に細胞および組織の培養のための３次元骨格に関する。詳細には、本発明は細胞の移植および／または器官の再構成に使用するための不織ポリマー骨格に関する。
【背景技術】
【０００２】
欠けているおよび／または損傷された組織を成長させたり置換したりするようになっている細胞用の支持装置として役立つ３次元組織骨格の使用により改善されるか或いは治されることができる様々な医療状態が存在する。これらの医療状態は、自動車自己により引起こされる外傷性傷害から、組織の構造および機能が危うくされるか損失される変質病までさまざまである。課題は、身体が損失されるか或いは損傷された組織を置換したり再生したりすることができる装置を確認したり開発したりすることであった。
【０００３】
３次元骨格は、望ましくは、その内部に細胞により及ぼされるもののような力、並びにその場で植え込まれるときに周囲の組織からの圧力にさらされるときに、その形態を維持するのに十分な機械的強さを有している。この骨格は、非毒性であって、生物適合性であり、播種された細胞を構造全体にわたって一様に取付けて繁殖させるために適当な基質として役立つ。そして、細胞は、それらが置換しようとするか或いは補足しようする本来の細胞の機能を分化し、果たすことができる。本来の細胞は、骨格の中に一体化し、いずれのかの必要な血管系が発達し、ついには、細胞骨格は置換するか補足するようになっていた組織の機能を果たす。望ましくは、骨格は新しい細胞の成長が起こるにつれて次第に溶解して機能置換組織をその箇所に残す。
【０００４】
成長可能な器官および／または器官部分を形成するために細胞を再生するために早期の努力は適切な細胞を生物適合性懸濁液にすることに集中されていた。例えば、軟骨細胞懸濁液が乾燥アルギネート粉末と混合されてゲルを形成し、このゲルは、実験動物に注入されると、注入箇所から遠い部位までのこの物質の移動なしで軟骨の形成の証拠を示した。アタラ等のジャーナルオブウロロジー、１５０：７４５−７４７（１９９３年８月）。この種類の手順についての制限は、注入されたゲルが、再生すべき組織に有用であってもなくてもよいランダムな形状を形成するものと予想されることである。
【０００５】
当業界における更なる開発は、所定の３次元構造を有する細胞用の骨格を形成することを含んでいた。骨格の形態学構成は構造を作成するのに使用される方法および材料に直接関連されている。３次元骨格は、天然または人造ポリマーまたはそれらの組合せから、或いは無機複合体として知られるものから形成されることが知られている。現在のところ、組織骨格を製造するのに様々な技術が有効であり、これらの技術として、線維の接合、溶媒流延および微粒子浸出、膜積層、溶融成型、ポリマー／セラミック繊維複合発泡体、層分離およびその場重合がある。組織エンジニアリングの原理、Ｅｄｓ.Ｒ.ランザ等、Ｒ.Ｇ.ランディス社（１９９７）におけるＲ.Ｃ.トンプソンの「ポリマー骨格処理」。使用される原料および方法に応じて、骨格を様々な形状および大きさで製造することができる。
【０００６】
骨格が適切に役割を果たすために、骨格は或る形態学的特性および他の特性を有していなければならない。連続気泡材料の最も顕著な形態学的特性の中には、相対密度、相関孔容積分率、気泡の形状および一様性、および少ない程度、気泡の大きさがある。気泡すなわち孔は、材料内の気孔空間である。連続気泡材料は、気泡が開放面を介して連結していることを意味している。対照的に、独立気泡材料は、互いから遮断された気泡で構成されている。相対密度ρ*／ρSは、気泡材料の密度ρ*を気泡壁部が構成される固体の密度ρSで割った密度である。孔容積分率は、孔空間で占められる材料の部分すなわち１−ρ*／ρSである。相対密度が増大すると、気泡壁部が厚くなり、孔空間は収縮し、そして孔容積分率は減少される。代表的な連続気泡材料は約０.３またはそれ以下の相対密度を有している。
【０００７】
細胞骨格として使用するための材料を設計するにあたり、細胞（すなわち、生きている細胞）がそれらの形状を構造内に維持するように孔が十分に大きい孔径であることが重要である。更に、細胞懸濁液が構造に完全に侵入し、かくして材料全体にわたる細胞播種および／または細胞の移動を許容するために、連続気泡構成および大きい孔容積分率が望ましい。不十分な孔径および／または孔容積分率は、細胞が骨格構造全体にわたって一様な進入を達成するのを制限することになる。更に、細胞への栄養剤の自由接近ならびに細胞代謝の結果形成された排出物の効率的な除去が妨げられる。孔容積分率および多孔性に関連されているのは構造内の表面積対容積比である。高い表面積対容積比は、骨格構造への細胞の付着を助長するものと思われる。
【０００８】
また、孔の大きさが比較的一様であることも重要である。これにより、孔が生きている細胞を骨格全体にわたって一様に受入れるのに十分に大きいことが確保される。更に、形状の異方性と称する気泡の形状および大きさの一様性の欠如の結果、特性の不規則性を有する異方性骨格が生じる。これらの不規則性は或る用途では望ましくない。例えば、特定の方向により大きい直径を有する細長い気泡によると、その結果生じた骨格は、他の方向とは対照的に細長い方向で剛性が２倍になってしまう。ケンブリッジ大学の刊行物（１９９７）におけるギブソンおよびアッシュバイの気泡固体―構造および特性、第２巻。かくして、異方性骨格は、その一様な剛性を維持することが重要である場合には望ましくない。更に、異方性の結果、孔が小さすぎて細胞を受入れない場合、骨格全体にわたって非一様で潜在的に不十分な細胞の繁殖が生じる。現在のところ利用可能な組織骨格の制限としては、最適な孔容積分率、気泡形状および大きさの一様性および十分な表面積対容積比を有する骨格を提供することができないと言う点がある。
【０００９】
十分な形態学構成に加えて、組織骨格が有用であるために、この骨格は比較的非毒性であるか或いは生物適合性であらねばならない。ここで使用する場合、材料は、受容生体の機能を著しく妥協しないなら、生物適合性である。これは、骨格を初めに播種する場合と、骨格の分解中、（酸のような）毒性分解性生物がしばしば発生される場合との両方の場合に特に重要である。初めの製造後に残留溶媒が骨格に残る場合、骨格を細胞で首尾よく播種することは困難であることもある。更に、骨格が分解すると、材料が分解性生物の毒性増加を回避するのに十分に遅い速度で分解するか、或いは細胞に対して非毒性である分解性生物を生じることが重要である。
【００１０】
１つの公知の骨格は、凍結乾燥での相分離を使用して製造される。この方法では、基礎原料が適当な溶媒に溶解されて急冷凍される。溶媒は凍結乾燥により除去されて多孔性の構造を残す。この方法で製造される１つの種類の骨格は焼く５０μｍと１５０μｍとの間の孔を有する多孔性コラーゲンスポンジである。ピーパー等の生物材料、２０：８４７−８５８（１９９９）。この骨格の欠点は、孔の形状、大きさおよび相互連結性が凍結乾燥方法に因り無秩序化されると言う点である。その結果、細胞が栄養素に到達することなしに捕獲されるか、或いは細胞が骨格を一様に占めることができない狭すぎる死端チャンネルおよび／または孔が形成されてしまう。この非一様な構造は骨格全体にわたる細胞の一様な分布のために最適ではない。
【００１１】
また、公知の合成ポリマー骨格が凍結乾燥により製造されており、これらの骨格は、異方性の管状形態学的構成と、直径が数１０ミクロンから数百ミクロンまでに及ぶはしご状内部構造とを有する約９５％までの多孔性のポリ乳酸発泡体を含む（ザング等のＪ．Ｍｏｉｍｅｄ.Ｍａｔｅｒ.Ｒｅｓ.、４５：２８５−２９３（１９９９）。９０％〜９５％の多孔性と、約１５ミクロンから約３５ミクロンまでに及ぶ平均孔径と、約２０ミクロンの孔とを有するポリグリコール酸発泡体もまた知られている（ワング等のポリマー、３６：８３７−８４２（１９９５））。
これらの合成ポリマー骨格は、それらの天然ポリマー同等物と同じ欠点を有している。つまり、これらの骨格は比較的多孔性であるが、この材料は構造全体にわたる播種された細胞の一様な分布を阻止する。また、この方法で形成された発泡体は、しばしば、骨のような硬い組織を置換するために骨格として役立つのに必要な機械的強さに欠けている。
【００１２】
或る生物学的に活性の剤が、３次元骨格の性能を改良するのに有用である。例えば、分泌された蛋白質および多糖類よりなる細胞外マトリックス（ＥＣＭ）分子が細胞間空間を占め、そして細胞および組織を相互に結合する。細胞は、栄養素のような細胞付着分子を介してマトリックス蛋白質と相互作用することによりマトリックス蛋白質に付着することができる。３次元骨格におけるＥＣＭ分子の存在が細胞付着を改良するように作用し得るものと思われる。また、信号化分子およびＢＣＭ分子の存在により、細胞がそれらの分化された組織特定の機能を果たすのを促すことができる。これらの特性は、骨格が生きている組織同等物として或いはモデル組織系としてその機能を果たし易くすることができる。
【００１３】
骨格は、しばしば、哺乳動物への植え込み前に細胞で播種される。播種された細胞およびそれらの関連した蛋白質生成物の１つの機能は、自生種または本来の細胞の移動を隣の組織から骨格へ差し向け、結局、骨格を本来の細胞および組織で置換することである。また、細胞を骨格に播種し、その後、植え込み前に骨格構成体を凍結するか或いは凍結乾燥することにより播種された細胞を死滅させることが可能である。このように、生きている物質が骨格から除去されるが、ＥＣＭ分子のような付着された蛋白質はそれらの自然の状態で残される。
【００１４】
ベル等の米国特許第６，１７９，８７２Ｂ１号は、密に充填されたフィブリル列またはフィブリル束として形成された生物適合性および生物分解性のビポリマーから形成されたビポリマーマットを開示している。これらのフィブリルはポリマー分子の整然として並んだ会合により構成されている。このマットはメッシュ状のステンレス鋼スクリーンに液化状態のビポリマーを塗布し、ビポリマーを乾燥し、そして固化された後にスクリーンからマットを取り出すことによって製造される。マットは、受容者に導入される前に組織特定の細胞およびＥＣＭ蛋白質のような生物活性剤で播種される。この材料は主として２次元構造であり、厚い組織を置換する際の限定された用途を有する。
【００１５】
ビアカーマン等の米国特許第６，３３３，０２９号は、１つまたはそれ以上の方向を通る勾配構造を有する組織工学設計に使用するための３次元の多孔性発泡体を開示している。勾配は、ポリマーを混合して発泡体を形成するのに使用される凍結乾燥方法における昇華工程開始を調時することにより組成勾配を生じことにより形成される。１つまたはそれ以上の成長因子が構造に組み入れられてもよい。しかしながら、この材料は、毒性溶媒が発泡体に残る可能性および十分に相互連結されたチャンネルの欠如を含めて、他の従来の発泡体の同じ欠点を有している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
様々な組織骨格が現在のところ利用可能であるが、十分な孔容積分率、孔径、表面積対容積比、および細胞侵入に必要な内部構造の一様性を与えながら、適切な機械的強さを保持する生物適合性構造を含めて、損傷された或いは損失された組織を満足に置換する際の最適な性能を有する組織骨格の不可欠の必要性が残存している。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、所定の形状、所定の孔容積分率、所定の孔径および所定の孔形状を有している不織３次元連続気泡マトリックスを形成するように構成された複数の繊維から形成された生物適合性ポリマーを有し、前記マトリックスが繊維間に複数の連結部を有している３次元細胞骨格を提供する。
【００１８】
本発明の更に他の面では、哺乳動物における組織を再生する方法が提供され、この方法は、本発明に細胞骨格を哺乳動物に植込むことを含んでいる。
【００１９】
また、胃食道逆流病（ＧＥＲＤ）を治療する方法が提供され、この方法は、不織３次元連続気泡マトリックスを形成するように構成された複数の繊維から形成された生物適合性ポリマーを形成することを含んでいる。マトリックスは食道表皮細胞の直径を受入れるのに十分である所定の孔容積分率、所定の孔形状、所定の孔径と、繊維間の複数の連結部とを有している。マトリックスは食道表皮または幹細胞で播種され、そして哺乳動物の食道空間に植え込まれる。
【００２０】
本発明の他の面では、病んだ食道組織を除去する方法が提供され、この方法は、（ａ）不織３次元連続気泡管状マトリックスを形成するように構成された複数の繊維から形成された生物適合性ポリマーマトリックスを形成する工程を有しており、このマトリックスが所定の孔容積分率、所定の孔形状、所定の孔径を有しており、繊維間の複数の連結部を有しており、（ｂ）マトリックスを所定濃度の細胞破壊化合物で処理する工程と、（ｃ）マトリックスを哺乳動物の食道空間に植え込む工程とを有している。
【００２１】
更なる面では、本発明の３次元細胞骨格は、（ａ）少なくとも１つの生物適合性ポリマーを適合性溶媒と混合して流動性ポリマー混合物を形成する工程と、（ｂ）少なくとも第１平面（ｘ）およびこの第１平面と垂直な第２平面（ｙ）において移動可能であるテーブルにポリマー混合物から形成された少なくとも１つの線維を付ける工程と、（ｃ）所定の孔径、所定の孔形状、所定の孔容積分率と、繊維間の複数の連結部とを有する３次元不織マトリックスを形成するように少なくともテーブルの移動を制御する工程とから形成される。
【００２２】
また、本発明による細胞骨格と、モデル化すべき組織からの複数の成長可能な細胞とを備えており、成長可能な細胞が細胞骨格において培養される、組織モデル化キットが提供される。
【００２３】
本発明の更に他の面では、組織に対する毒性を試験する方法が提供され、この方法は、（ａ）形状が試験すべき組織の少なくとも一部に似ている本発明による細胞骨格を形成する工程と、（ｂ）組織から得られる細胞を細胞骨格において培養する工程と、（ｃ）所定投与量の試験剤を細胞骨格に投与する工程と、（ｄ）投与量に対する細胞の応答を測定する工程とを有している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
前記特徴および追加の特徴を考慮に入れて、本発明を以下により詳細に説明するが、他の利益および利点は、幾つかの図全体にわたって同様な数字が同様な要素を表している添付図面と関連して行われる下記の詳細な説明から明らかになるであろう。
好首尾な細胞の取付け、成長および分化を最適にするために、組織骨格は望ましくは、孔形状および孔径と、孔容積分率と、表面積対容積の比を有する適当な内部構造を有している。骨格は、受容者における顕著な有害な作用の引出しを回避するように生物適合性であり、更に、望ましくは、有毒の分解生成物から細胞の死滅を引起こすことを回避するように或る割合および形式で分解する。
【００２５】
本発明は、生物適合性天然ポリマー、合成ポリマーまたはそれらの組合せから実質的に開放した構造を有する不織連続気泡マトリックスに形成された組織骨格を特徴付けし、この開放構造は、受容者内の目標部位への骨格一体化中、骨格内で成長する細胞により及ぼされる収縮力に耐えるのに十分な機械的強さを維持しながら、細胞浸潤のための十分な空間を与える。
【００２６】
コポリマーまたはそれらの混合物のようなポリマーを使用することは本発明内であると考えられる。ここで使用する場合、「生物適合性」材料は、化学結合の酵素分裂または加水分解分裂を含めて、生理学的条件下で開裂される結合を有する材料である。
【００２７】
適当な天然ポリマーとしては、アルギネート、デキストラン、プラン、ポリヒアルロン酸、キチン、ポリ（３−ヒドロキシアルカノエート）、ポリ（３−ヒドロキシオクタノエート）、およびポリ（３−ヒドロキシ脂肪酸）のような多糖類がある。また、アルキル、アルキレンのような化学基の置換および／または付加、ヒドロキシ化、酸化ならびに当業者に良く知られている他の変性を含めて、前記天然ポリマーの化学的誘導体も本発明内であると考えられる。天然ポリマーはコラーゲン、ゼイン、カゼイン、ゼラチン、グルテンおよび血清アルブメンのような蛋白質から選択されてもよい。
【００２８】
適当な合成ポリマーとしては、ポリホスファゼン、ポリ（ビニルアルコール）、ポリアミド、ポリエステルアミド、ポリ（アミノ酸）、ポリアンヒドリド、ポリカーボネート、ポリアクリレート、ポリアルキレン、ポリアルキレングリコール、ポリアルキレンオキシド、ポリアルキレンテレフタレート、ポリオルトエステル、ポリビニルエーテル、ポリビニルエステル、ポリビニルハライド、ポリエステル、ポリラクチド、ポリグリコキシド、ポリシロキサン、ポリカプロラクトン、ポリヒドロキシブトレート、ポリウレタン、スチレンイソブチルスチレンブロックポリマー（ＳＴＢＳ）、およびそれらのコポリマーおよび組合せが挙げられる。
【００２９】
生物分解性の合成ポリマーが好適であり、これらの合成ポリマーとしては、ポリＬ−乳酸（ＰＬＡ）、ポリグリコール酸（ＰＧＡ）およびそれらのコポリマー（すなわち、ポリＤ、Ｌ−乳酸コグリコール酸（ＰＬＧＡ））のようなポリα―ヒドロキシ酸、およびヒアルロン酸がある。ポリα―ヒドロキシ酸は、人の臨床使用のためのＦＤＡにより認められる。なお、多糖類およびヒアルロン酸を含めて、或るポリマーは水溶性である。水溶性ポリマーを使用する場合、化学的変性により、例えば、架橋剤の使用によりこれらのポリマーを水不溶性にすることが重要である。
【００３０】
ＰＬＡおよびＰＧＡのようなポリアンヒドリドおよびポリエステルは不安定な結合を有しており、それらの加水分解反応性について知られている。従って、これらのポリマーの加水分解率は、一般に、ポリマーの主鎖および配列構造を変えることにより調整されることができる。
【００３１】
適当な生物分解性エラストマーの更なる例が米国特許第４，０４５，４１８号、第４，０５７，５３７号および第５，４６８，２５３号（これら特許は、それらの全体が出典を明示することにより本願明細書の開示の一部となる）に記載されている。また、骨格化用途のための天然および合成ポリマー材料の幾つかの有用な組成物の非限定的な例がチェンＧ等の「高等材料」１２：４５５−４５７（２０００）（これは出典を明示することにより本願明細書の開示の一部となる）に開示されている。
【００３２】
本発明の骨格化は、連続繊維を練条し得る粘性溶液を形成するように適当な溶媒に溶解されるか或いは溶融された生物適合性ポリマーを押出すことにより行なわれる。この溶液は、圧力下で押出され、所定のサイズのディスペンサーにおける開口部を通して或る速度で供給されて繊維を形成する。代表的には約＜１から約１００ミクロンまで、好ましくは約３から約３０ミクロンまでの所望の繊維の厚さが形成され、コンピュータ助成設計（ＣＡＤ）ソフトウエアを使用することにより制御される３つの移動自由度を有する可動テーブルの作用により練条される。このテーブルは、２つまたは３つの平面内で移動可能であり、ここでは、塗布テーブルまたは単にテーブルと称する。あるなら、繊維の伸び率は、スピナレットに対するテーブルのプログラミングされた移動により同様に調整される。この方法は、代理人ドケット第４９８−２７７号として出願された「多孔性溶融紡糸ポリマー構造体および製造方法」と称する米国特許出願（これは出典を明示することにより本願明細書の開示の一部となる）により十分に開示されている。
【００３３】
本発明の装置および方法は、従来技術の方法により形成されるものと大きさ、形状および強さが同様である多孔性マトリックスを形成することが可能である。しかしながら、本発明の装置および方法は、従来技術の方法のものを十分に越えた能力を有している。従来技術の方法はしばしば無秩序で制御されない１つの特定の内部構造を形成するが、本発明はそのように限定されない。詳細には、本発明の方法は様々な特定の所定内部構造を見込んでいる。この方法はチャンネル形状、大きさおよびチャンネル相互連結部のような細孔チャンネル構成の特定の設計を見込んでいる。これらのパラメータの各々は、可動テーブルの適切な移動を選択することによって予め定められ得る。
【００３４】
図１を参照すると、本発明の多孔性マトリックスを製造するための装置の斜視図が示されている。可動テーブル２は、ｘ駆動部材４およびｙ駆動部材６に作動的に取付けられている。これらの駆動部材４、６の移動はｘ制御部材８およびｙ制御部材１０により達成される。保持室１２が、ポンプ１６を経てアプリケータ１４に供給されるポリマーを収容する。液状ポリマーはアプリケータ１４を通してテーブル２に供給される。アプリケータ１４は不動のままでもよいし、或いはｚ制御部材２０により制御されるｚ駆動部材１８を介してテーブルに対して移動されてもよい。テーブル２の移動の結果、繊維２２がテーブル２に層２６状に配置される。
【００３５】
作動中、テーブルは特定の所定繊維設計および孔容積分率を生じるように所定のパターンで移動する。マトリックスの所望の形状、大きさおよび厚さを達成するのに必要とされるだけの回数、テーブルの移動を繰返すことにより、３次元構造体を構成することができる。図２Ａないし図２Ｄを参照すると、本発明の骨格の内部構造の夫々の設計が示されている。図２Ａには、第１の正弦波パターンが、第１層２６ａで示されており、第２の正弦波パターンが、第１層２６ａに対して９０°の角度で設置されている第２層２６ａ'で示されている。図２Ｂには、層２６ｂおよび２６ｂ'状の段波パターンが示されている。図２Ｃには、層２６ｃおよび２６ｃ'状の鋸歯状波パターンが示されている。図２Ｄは同心ループ層２６ｄを示している。これらのパターンは、骨格の所期の使用に応じて単独に或いは適切な組合せで使用される。特定の用途のための骨格の設計の幾つかの例を以下に更に詳細に論述する。
【００３６】
ワングの米国特許第４，４７５，９７２号およびピンチャックの米国特許第５，７５５，７７４号（それらの全体が出典を明示することにより本願明細書の開示の一部となる）に記載のもののような紡糸技術により骨格を形成することも可能である。この方法は管状形態に対して特に有用である。簡単に述べると、溶液中のポリマーはスピナレットとして知られているディスペンサーから回転マンドレルに押出されて繊維となる。このスピナレット装置は制御ピッチ角度でマンドレルの長さ方向軸線に沿って往復移動されて、各繊維層が下側の層に接合されている不織構造体が生じる。これらの繊維は、所望の厚さにマンドレル上の層に紡糸される。内径は、例えばマンドレルの直径を調整することによって調整されることができる。
【００３７】
本発明の骨格は、所望のポリマーを適切な溶媒に希釈することによって形成される繊維から製造されることができる。任意に、繊維の形成を助けるように、テーブルへの混合物の塗布の直前に架橋剤を別体の源が溶液に添加してもよい。特に、アルギネートのような多糖類を含む水溶性ポリマーは架橋剤を必要とする。これらのポリマー用の適当な架橋剤としては、カルシウム、銅、アルミニウム、マグネシウム、ストロンチウム、バリウム、錫および亜鉛の塩のような金属イオン溶液がある。天然ポリマー用、特にアルギネート用の特に望ましい架橋剤としては、塩化カルシウム（ＣａＣｌ2）、塩化ストロンチウム（ＳｒＣｌ2）およびカルシウムグルコネート（Ｃａ−Ｇｌ）がある。コラーゲンの場合に使用するのに適した架橋剤としては、グルタルアルデヒドおよびカルボジイミドのようなアルデヒドがある。架橋剤を使用する場合、繊維の形成の直前または直後に架橋剤を導入することが重要である。例えば、ポリマー溶液および架橋剤がスピナレットに入る直前に導入される２室供給設計を有することが可能である。変更例として、未架橋材料から繊維を形成し、次いで繊維を、テーブルへの塗布前に架橋剤を収容している浴の中へ通すことが可能であってもよい。
【００３８】
コポリマーまたはそれらの組合せのようなポリマーを単独で使用することは本発明の範囲内であると考えられる。ポリマーの組合せの選択は、特定の用途により決まり、所望の特性を与えるために、生物適合性構造体が意図されようが永久構造体が意図されようがいずれにしても、液状ポリマーの所望の引張り強さ、弾性、伸び、弾性率、強靭性、粘度のようなファクタの考慮を含む。
【００３９】
当業者は、マトリックスの所望の特性に基づいた適切な組合せ、および興味ある個々のポリマーに関して当業界で知られているものを選択すればよい。例えば、ポリアンヒドリドおよびポリ塩化ビニルは、ポリマーに可撓性を導入するものと知られている。従って、主ポリマーまたはポリマー混合物に所望の特性を与えるために少量の或るポリマーを添加剤として使用することが可能である。例えば、或るポリアンヒドリドをＰＬＡポリマーに添加することによって、形成された構造体の可撓性が増大される。形成される最終の材料の生物適合性を妥協することなしに、少量の非生物適合性のポリマーを生物分解性ポリマーに添加してもよい。ポリマー混合物、コポリマーおよび添加剤の選択は、ポリマーマトリックスの特定の最終用途に基づいており、従って、当業者により行なうことができる。従って、望ましいマトリックスの特性を最大にするために多数のポリマー、ポリマー混合物、コポリマーおよび添加剤を用いることは本発明の意図内である。本発明の１つの望ましい面では、約７０％のポリ酢酸および約３０％のポリウレタンを含むポリマーからマトリックスが製造される。
【００４０】
更に、１つより多いポリマーまたはコポリマーを交互に塗布するか或いは同時に塗布することによって本発明のマトリックスが生じられることは本発明者により明確に考えられる。例えば、２つの異なるポリマーまたはポリマー混合物を同時に塗布するために、２つのアプリケータを使用することにより２つの異なるポリマー繊維を付けることが可能である。変更例として、第１のポリマー繊維を第１層状に付け、次の第２のポリマー繊維を次の層状に付けることが可能である。ポリマーを交互にすることによって、マトリックス内のポリマー、コポリマーまたは混合物の各々の分布に応じて様々な特性を有するマトリックスを製造することができる。
【００４１】
アプリケータの開口部を大きさ、液体の供給速度およびテーブルの移動を変えることにより、所望の形状および大きさを有する３次元の骨格を形成し得る。一般に、本発明により製造された骨格は、約０.１ないし約１０ｍｍの厚さ、より望ましくは最高約３０ｍｍの厚さを有する。しかも、孔径、孔の形状および孔容積分率は同様に供給速度、開口部の大きさおよびテーブルの移動により制御され得、特定の用途に適するように所定の形式で変化されることができる。例えば、本発明の骨格は、全体にわたって一様な孔容積分率、孔の形状および孔径を有するシートとして形成されてもよい。変更例として、骨格は、内径における第１の所定の孔容積分率および孔径で始まって、外径における第２の所定の孔容積分率および孔径まで横断面に沿って次第に変化している勾配を有する管として形成されてもよい。孔径は、骨格全体にわたって一様であってもよいし、或いは骨格の寸法に沿って漸進的であってもよい。また、孔の形状、孔径および孔容積分率の任意の所定の範囲内の任意の構造を有する骨格を生じるようにスピナレットおよびテーブルの移動をプログラミングすることが可能である。
【００４２】
生物適合性であり、繊維に形成され得、適当な速度で分解する任意の材料を使用してもよい。孔容積分率は、骨格全体にわたって細胞の侵入および成長を助長するように選択される。一般に、６０＞９８％のＰＶＦが望ましい。８０％より大きいＰＶＦが特に有利である。孔容積分率は一様であっても、非一様であってもよい。例えば、骨格の一部への細胞の接近を制限することが望ましいこともある。この場合、細胞の流入を防ぐ孔容積分率を持つ部分を有する骨格が設計されてもよい。
【００４３】
孔容積分率（ＰＶＦ）は、骨格全体にわって細胞の侵入および成長を助長するように選択される。一般に、約６０ないし９８％のＰＶＦが望ましい。約８０％より大きいＰＶＦが特に有利である。孔容積分率は一様であっても、非一様であってもよい。例えば、細胞の流入を防ぐ孔容積分率を持つ部分を有する骨格が設計されてもよい。
【００４４】
本発明の骨格は、単一のポリマー、コポリマーまたはそれらの混合物で一様に製造されてもよい。しかしながら、本発明により複数のポリマーで骨格を形成することが可能である。骨格を形成するのに使用されるポリマーの数または構成に対する特定の制限がない。生物適合性であり、繊維に形成され得、適当な速度で分解する任意の材料を使用してもよい。例えば、ポリマーを次々に適用することが可能である。この場合、第１のポリマーをテーブルに分配して所定の第１パターンを形成し、その後、第２のポリマーをテーブルに分配して同じまたは異なる第２パターンを形成する。本発明の望ましい面では、第１の生物分解性ポリマーを部分骨格設計の形成し、その後、第２のより生物安定性のポリマーでえ完全な骨格を形成することができる。特に望ましいのは、２つの生物分解性ポリマー部分の内側に挟まれた骨格の生物安定性ポリマー部分を有する骨格を形成することである。
【００４５】
望ましくは、生物分解性ポリマー部分はコラーゲン、ＰＬＡまたはＰＧＡのうちの１つであり、生物安定性部分はＳＩＢＳブロックポリマーである。生物分解性ポリマーとの組合せで生物安定性ポリマーを使用する利点は、生物分解性ポリマーが時間にわたって分解してその箇所に気泡材料の全一体化を行なうことができると言う点である。その場合、残りの生物安定性ポリマーは留まって、新たに一体化された気泡材料に対する支持機能を果たし得る。かくして、本発明のこの面は、組織の機械的強さが重要である任意の器官に使用するのに特に有利である。
【００４６】
また、骨格を形成するのにポリマー材料と非ポリマー材料との組合せ材料を使用することが可能である。例えば、骨または軟骨含有材料を代用する場合、骨格が機械的強さを有することが重要である。或るセラミック粉末が、補綴具に機械的強さを与えるのに有用であると知られている。この目的で、本発明の一面では、セラミック粉末が、ポリアクリレートまたはＰＭＭＡのようなポリマーバインダとの組合せで溶液に形成される。混合物のポリマー部分により、骨格の孔を形成するために、溶液を繊維に形成してテーブルに塗布し得る。このポリマーマトリックス内には、セラミック溶液から構成された支持構造体を点在させることができる。ポリマー材料は望ましくは生物分解性である。使用において、細胞が骨格の生物分解性部分に入ってこれを増殖し、最終的に生物分解性部分に取って代わられる。しかしながら、骨格内の支持構造体は残存する。また、先に説明したように、組合せ材料を他のポリマーとの更なる組合せで使用することも可能である。
【００４７】
本発明の一面では、本発明の骨格は、その支持を行なうのを助ける１つまたはそれ以上の支持部材と共に使用されてもよい。支持部材としては、制限するものではないが、ステント、支柱、フック、バンドおよびコイルがある。これらは、生物適合性であるかぎり、永久的または一時的な構造体でもよい。本発明の連続気泡ポリマー骨格マトリックスは、支持部材のまわりに形成されてもよい。変更例として、マトリックスは細胞で播種されて形成されてもよいし、必要時に受容体への植え込み前に支持部材を骨格に付設することができる。
【００４８】
スパンポリマー骨格は、使用前に細胞で播種されることができる。当業者は細胞を如何に骨格内へ播種するかをわかるであろう。例えば、静的細胞播種が使用されてもよく、この場合、まず細胞を組織培養媒体に懸濁させることによって細胞が骨格に供給される。次いで、この懸濁液を骨格の表面のうちの１つまたはそれ以上に塗布し、骨格の孔に入れる。変更例として、動的細胞播種が使用されてもよく、この場合、細胞懸濁液を収容している容器に骨格を装入する。細胞懸濁液を骨格全体にわたって一様に分布するように容器を振る。
【００４９】
ポリマー骨格は哺乳動物の細胞で播種されてもよい。しかしながら、骨格が様々な細胞のうちのいずれかで播種されてもよいことが意図される。ここで使用される場合の語細胞は、主組織外植片およびその調合物含めて、生きている組織の任意の調合物、分離細胞、（変態細胞を含む）細胞系および受容者の細胞を意味している。好ましくは、自家性細胞が用いられる。しかしながら、異種性、他生性、近似性細胞または幹細胞もまた有用であることもある。
【００５０】
本発明の一面では、骨格は、損傷された或いは病気にかかった組織を置換するために補綴具または移植組織片として生体内で使用される。骨格は、適切な形状に形成され、次いで哺乳動物、特に人間の受容体のような受容体に導入されるか或いは移植される。骨格の構造は内側または外側形状を真似るように設計されることができる。的確な大きさへのマトリックスの切断を含めて、ポリマーが形成された後に設計の更なる変更が行なわれてもよい。これに関して、はさみ、外科用メス、レーザービームなどを含めて、様々な工具のうちのいずれかが使用される。このような形状の非限定的な例としては、シート、管、円筒体、球体、半円形体、立方体、矩形体、楔および不規則な形状がある。導入された骨格は、これが細胞、例えば、受容者の細胞で占められると、機能的組織として役立つ。生体内で使用される場合、十分な受容者の細胞が形成された後、骨格が生物分解することが好ましい。
【００５１】
受容体に導入する前に骨格補綴具を予め播種することが更に望ましい。これは、骨格の播種一体化、修復組織の回復および損傷された或いは欠けている組織の置換に有益である。更に、細胞が自家ではない実施形態では、拒絶反応の恐れを最小にするために免疫抑制薬剤を投与することが望ましいこともある。このような薬剤は播種組成物内に含まれてもよい。
【００５２】
本発明の好適な面では、正常な状態すなわち非病気状態の自家受容体細胞は、所期の受容体から採取され、そして骨格を播種するのに後で使用するために無菌条件下で処理される。骨格を播種する方法は当業界で公知である。好ましくは、細胞播種された骨格を生物反応器に入れて、骨格を患者に植え込む前に細胞を繁殖させる。米国特許第５，４８６，３５９号に開示されているように、カプラン方法が有益である。本発明の骨格において成長された細胞は３次元組織の細胞の形態学的特性を有しており、正常な細胞間関係、すなわち、細胞が得られる組織におけるものと同様な細胞間関係を形成することができる。また、骨格への導入前に保護用ポリマー被膜で細胞を封入することも可能である。
【００５３】
ここに記載の骨格を使用して修復され、および／または再構成されることができる組織の非限定的な例としては、神経組織、皮膚、血管組織、心臓組織、心膜組織、筋肉組織、眼球組織、歯周組織、骨、（関節、関節間、隔膜、気管の）軟骨、腱および靱帯のような連結組織、胸、膵臓、胃、食道、血管、腎臓、眼球および肝臓のような器官組織、膵臓、乳房および副腎のような腺組織、膀胱および尿管のような泌尿器組織、および腸のような消化器組織が挙げられる。
【００５４】
骨格は、特定の用途に適した細胞の成長のための基質として使用されてもよい。例えば、骨格は、骨の欠陥を修復するために造骨細胞で、皮膚を修復するために表皮細胞で、食道を修復するために表皮細胞で、など、播種されてもよい。一般的に言えば、骨格における孔径は、そこに播種されるべき細胞の直径の約１倍ないし１０倍の範囲である。
【００５５】
骨格に使用される適当な生きている細胞としては、限定するものではないが、表皮細胞（例えば、ケラチン生成細胞、脂肪細胞、肝細胞）、神経細胞、神経膠細胞、星状膠細胞、上皮細胞、乳房表皮細胞、鳥細胞、内皮細胞（例えば、大動脈、毛細管および静脈内皮細胞）、および間葉細胞（例えば、真皮線維芽細胞、間皮細胞、造骨細胞）、平滑筋細胞、横紋筋細胞、靱帯線維芽細胞、腱線維芽細胞、軟骨細胞、線維芽細胞、および様々な幹細胞のいずれかが挙げられる。また、骨格に使用するのに適したものは、遺伝学的に変性された細胞、免疫学的に隠蔽された細胞などである。
【００５６】
更に、組織特定式細胞外マトリックス（ＥＣＭ）蛋白質を細胞骨格に添加することも本発明の意図内である。骨格内の細胞の内部成長、組織の発育および細胞の分化を更に促進するために、適切なＥＣＭ蛋白質が骨格に添加されてもよい。変更例として、本発明の骨格は、微粒子形態のＥＣＭ巨大分子を含むことができ、或いは成長可能な細胞により付着された細胞外マトリックス分子を含むことができる。
【００５７】
細胞外マトリックス分子は市販されている。例えば、ＥＨＳネズミ肉腫腫瘍からの細胞外マトリックスが市販されている（マトリゲル（登録商標）、ベクトンディキンソン社、メドフォード、ＭＡ）。
【００５８】
語「細胞外マトリックス分子」は、当業界で認知されており、フィブロネクチン、ラミニン、ビトロネクチン、テナシン、エンタクチン、スロモボスポンディン、エラスチン、ゼラチン、コラーゲン、フィブリン、メロシン、アンコリン、コンドロイチン、結合蛋白質、骨唾液蛋白質、オステオカルシン、オステオポンチン、エピネクチン、ヒアルロネクチン、アンデュリン、エピリグリンおよびカリニンを含むことが意図される。他の細胞外マトリックス分子は、クレイマン等のＪ.ビオメータ、Ｓｃｉ.ポリマー第５巻：１−１１（１９９３）（出典を明示することにより本願明細書の開示の一部となる）に記載されている。この語が、将来発見されるかも知れない現在のところ知られていない細胞外マトリックス蛋白質を包含することが意図される。何故なら、細胞外マトリックス蛋白質としてのそれらの特徴付けが当業者により容易に決定可能であるからである。
【００５９】
細胞の成長、形態形成、分化および組織の構成に有益な追加の生物学的に活性の巨大分子としては、成長因子、プロテオグリカン、グリコサミノグリカンおよび多糖類がある。これらの化合物は、組織の構造および機能の発達および再生のための生物学的、生理学的および構造的な情報を収容するものと思われる。これらの化合物は文献に記載されており、また市販されている。
【００６０】
例えば、成長因子は、当業者に公知な方法を使用して組織から分離されることができる。例えば、成長因子は、細菌、イースト菌または哺乳動物の細胞に組換え手段により生成されて組織から分離されることができる。ＥＧＦはネズミの下顎骨腺から分離されることができる。ジェネテック（サンフランシスコ、ＣＡ）はＴＧＦ−βを組換えにより製造している。また、多くの成長因子が、シグマケミカル社、セントルイス、ＭＯ；コラボレーティブリサーチ、ロスアルトス、ＣＡ；ジェンジムカムブリッジ、ＭＡ；ボーホリンガー、ドイツ；Ｒ＆Ｄシステムズ、ミネアポリス、ＭＮ；およびＧＩＢＣＯ、グランドアイスランド、ＮＹのような販売業者から市販されている。市販されている成長因子は天然形態および組換え形態の両方で得られる。
【００６１】
語「成長因子」は、当業界で認知されており、限定されるのではないが、血小板誘導成長因子（ＰＤＧＦ）、例えば、ＰＤＧＦＡＡ、ＰＤＧＦＢＢ；インスリン状成長因子（ＩＧＦ）、例えば、ＩＧＦ−Ｉ、ＩＧＦ−ＩＩ；線維芽細胞成長因子（ＦＧＦ）、例えば、酸性ＦＧＦ、塩基性ＦＧＦ、β―内皮細胞成長因子、ＦＧＦ４、ＦＧＦ５、ＦＧＦ６、ＦＧＦ７、ＦＧＦ８およびＦＧＦ９；変態成長因子（ＴＧＦ）、例えば、ＴＧＦ−Ｐ１、ＴＧＦβ１.２、ＴＧＦ−β２、ＴＧＦ−β３、ＴＧＦ−β５；骨形態形成蛋白質（ＢＭＰ）、例えば、ＢＭＰ１、ＢＭＰ２、ＢＭＰ３、ＢＭＰ４；血管内皮成長因子（ＶＥＧＦ）、例えば、ＶＥＧＦ、胎盤成長因子；表皮成長因子（ＥＧＦ）、例えば、ＥＧＦ、アンフィレグリン、ベータセルリン、ヘパリン、ヘパリン結合ＥＧＦ；インターロイキン、例えば、ＩＬ−１、ＩＬ−２、ＩＬ−３、ＩＬ−４、ＩＬ−５、ＩＬ−６、ＩＬ−７、ＩＬ−８、ＩＬ−９、ＩＬ−１０、ＩＬ−１１、ＩＬ−１２、ＩＬ−１３、ＩＬ−１４；コロニー刺激因子（ＣＳＦ）、例えば、ＣＳＦ−Ｇ、ＣＳＦ−ＧＭ、ＣＳＦ−Ｍ；神経成長因子（ＮＧＦ）；幹細胞因子；肝細胞成長因子、および繊毛神経栄養因子のうちの１つまたはそれ以上を含むことが意図される。追加の成長因子は、スポーン＆ロバートのペプチド成長因子およびそれらの受容体Ｉ、スプリンガーバーラグ、ニュヨーク（１９９０）（これは参照によりここに組み入れられる）に記載されている。語「成長因子」が将来発見されるかも知れない現在のところ知られていない成長因子を包含することが意図される。何故なら、成長因子としてのそれらの特徴付けが当業者により容易に決定可能であるからである。
【００６２】
語「プロテオグリカン」は、当業界で認知されており、デコリンおよびダーマタンスルフェートプロテオグリカン、ケラチンまたはケラタンスルフェートプロテオグリカン、アグレカンまたはコンドロイチンスルフェートプロテオグリカン、へパランスルフェートプロテオグリカン、ビグリカン、シンデカン、パーレカンまたはサーグリシンのうちの１つまたはそれ以上を含むことが意図される。語「プロテオグリカン」は、将来発見されるかも知れない現在のところ知られていないプロテオグリカンを包含する。何故なら、プロテオグリカンとしてのそれらの特徴付けが当業者により容易に決定可能であるからである。
語「グリコサミノグリカン」は、当業界で認知されており、へパランスルフェート、コンドロイチンスルフェート、ダーマタンスルフェート、ケラタンスルフェート、ヒアルロン酸のうちの１つまたはそれ以上を含むことが意図される。この語は、将来発見されるかも知れない現在のところ知られていないグリコサミノグリカンを包含する。何故なら、グリコサミノグリカンとしてのそれらの特徴付けが当業者により容易に決定可能であるからである。
【００６３】
語「多糖類」は、当業界で認知されており、ヘパリン、デキストランスルフェート、キチン、アルギン酸、ペクチンおよびキシランのうちの１つまたはそれ以上を含むことが意図される。この語は、将来発見されるかも知れない現在のところ知られていない多糖類を包含する。何故なら、多糖類としてのそれらの特徴付けが当業者により容易に決定可能であるからである。
【００６４】
栄養素、サイトカイニン、ホルモン、成長因子、血管形成因子、免疫学的調節因子および薬剤のような他の生物学的活性剤もまた、骨格マトリックスにおいて細胞が成長するのを助けるものと期待される。従って、その結果、骨格内の細胞の成長および組織の発達および組織化を更に促進するために骨格内にこれらの有用な化合物のうちの１つまたはそれ以上を含むことは本発明の範囲内である。これらは文献に記載されており、これらもまた市販されている。
【００６５】
更に、蛋白質から得られる生物学的に活性の短いペプチド配列が使用されてもよい。例えば、付着蛋白質から得られる多数の短いペプチド配列により、細胞付着が高められる。これらの配列は、細胞表面受容体に結合し、健全な蛋白質について得られるものと同様な親和性で細胞付着を実現することができる。（Ａｒｇ−Ｇｌｙ−Ａｓｐ）（ＲＧＤ）は細胞付着を高めるために３次元骨格の表面に被覆されてもよい１つのこのようなペプチドである。この配列は様々な細胞の種類における完全な受容体に結合する。
【００６６】
更に、骨格は他の補綴具との組合せで使用されてもよい。例えば、血管系、泌尿管、食道および胆汁管におけるもののような管状器官を置換するか、或いは管状器官を修復するために使用される場合、ステントを使用することが有益である。ステントは、一般的に、身体の種々の内腔を開いたり支持したりするのに有用である長さ方向の管状装置である。これらの装置は、血管の衰弱しているか或いは部分的に閉塞された部分を開いたり補強したりするために血管内に植え込まれる。一実施形態では、骨格はステントを部分的に或いは全体的に被覆しても外接してもよい。
【００６７】
本発明の更なる面では、本発明の骨格は、受容体の植え込まれるときに骨格の付着を促進するために適当な材料で被覆されてもよい。ヒアルロン酸の薄い層が特に好ましい。この層は骨格の外面の全体または一部に任意の公知な被覆方向により付けられ得る。ヒアルロン酸で材料を被覆するための一方法が米国特許第６，１２９，９５６号（その全体が出典を明示することにより本願明細書の開示の一部となる）に開示されている。
【００６８】
本発明の一実施形態では、食道の少なくとも一部の内張りを行なうための骨格が提供される。正常な食道は、内側粘膜層、下粘膜層および外側筋肉層を有している。正常な食道機能では、胃からの酸が食道に入らないようにするために飲み込み後に食道括約筋が閉まる。胃食道逆流病として知られている或る医療状態では、食道括約筋は的確に機能しなく、胃からの酸が食道の内側粘膜層および下粘膜層を侵食する。これが起こると、患者は、特に損傷された組織がこれらの層における正常ではなく予備脱形成の表皮細胞を成長させ始めるときに、食道癌を収縮する普通より大きい恐れを伴う。この状態の治療は、一般に、望ましくない細胞を筋肉層まで除去し、正常な食道細胞の再成長を許容する方法を含む。この再成長段階中、残っているいずれの予備脱形成細胞も、除去された組織の代わりをするために正常の食道細胞に匹敵する。この治療を受けている患者の約１０ないし２０％において、異常な細胞が回復する。本発明の骨格は、より短いより快適な回復期間をもたらし、且つ植え込み前に食道骨格に播種される正常の食道細胞に競合的な利点を与えることが意図される。
【００６９】
食道骨格は、アルギネートを含むポリマーから、約１６ないし２３ｍｍの外径および約０.５ｍｍから約２ｍｍまでの厚さを有する管へ形成される。長さは、個々の患者の食道および修復の必要がある領域により決定される。望ましくは、この管は、孔径の勾配が管の内径に向けて約２μｍないし約５μｍから管の外径に向けて約３０μｍないし約６０μｍまでに及ぶ内部構造を有している。骨格全体にわたって一様に成形された孔が存在することが特に望ましい。この設計によれば、ガス、水および栄養素が骨格に到達し、食道細胞の成長を許容するが、食道路を経て骨格を去る、直径がほぼ２０μｍである播種された食道細胞の損失を防ぐ。
【００７０】
少なくとも正常な食道表皮細胞が細胞骨格上に播種されてそこで成長される。また、特に管の外側に向けて幹細胞が使用されてもよい。好ましくは、正常の細胞は、骨格に後でしようするために受容体から予め得られる。病んでいる食道の脱形成細胞は、アルゴンプラズマ凝固（ＡＰＣ）のような方法を使用して除去される。次いで、骨格は食道細胞で播種される。骨格は、細胞が播種される前、播種されている間、或いは播種された後、ＥＣＭ蛋白質、成長因子、抗生物質などで処理されてもよい。市販されている金属ウォールステントTM（ボストンサイエンティフィック社、ボストン、ＭＡ）または自己拡張性の可撓性編みニチノールストレッカーTM（ボストンサイエンティフィック社、ボストン、ＭＡ）のような拡張可能ステントがその収縮形態で骨格管の内部または内腔に装入される。次いで、播種された骨格／ステント組立体が食道に植込まれ、ステントが拡張された骨格を商駆動の内壁に適所に保持する。望ましくは、ステントは、バルーンカテーテルと共に植え込まれ、正常な蠕動活性に一致するのに十分に可撓性であるバルーン拡張可能な装置である。時間、代表的には約７日にわたって、骨格は正常な食道細胞で満たされる。次いで、ステントを取り出し、正常な食道機能が復帰される。結局、骨格は分解して正常な食道を残す。
【００７１】
本発明の更なる実施形態では、骨格管は、まずアルカリ液または過酸化物のような所定濃度の細胞破壊化合物で骨格を処理することによりＧＥＲＤを処置するのに使用される。骨格は、前述のように寸法決めされて植え込まれ、この場合以外、骨格は予備脱形成組織を除去するために使用される。骨格は、筋肉層を破壊するのに薄すぎる間、必要量の処理化学薬品を供給する。望ましくは、骨格は、危険な細胞が破壊された後に生物分解する。その後、食道骨格は前述のように健康な食道組織を再生するために植え込まれてもよい。
【００７２】
本発明の更なる実施の形態では、まずアルギネートのポリマーを、頂部に第１の孔径および底部に第２の孔径を有するほぼ５ｍｍの厚さのシートに形成することによって損傷された或いは破壊された皮膚層に取って代わるために、皮膚移植片が形成される。これらの孔径は、シートの厚さまたは横断面に沿って漸進的勾配に沿って形成されている。第１の孔径はケラチン生成細胞の少なくとも直径に対応しており、第２の孔径は線維芽細胞の少なくとも直径に対応している。ケラチン生成細胞はシートの頂側に播種され、線維芽細胞はシートの底側に播種される。好ましくは、播種された細胞は骨格に使用するために受容体から予め得られた正常な細胞である。骨格は栄養素、成長因子などのような適当な添加剤を含んでもよい。次いで、播種されたシートは、頂側を外方に向け、底側を内方に向け且つ覆われるべき表面に触れさせて、移植片を必要とする領域に設置される。時間にわたって、線維芽細胞は皮膚の真皮層を再生し、ケラチン生成細胞は表皮を再生する。理想的には、アルギネート骨格は再吸収され、皮膚の機能層が前記領域を覆う。
【００７３】
本発明の更なる実施形態では、まず、アルギネートの不織ポリマーを、所定の内径、所定の外径および所定の長さを有する管に形成することによって、血管補綴具が製造される。寸法は置換されるべき血管の大きさにより決定される。内径は内皮細胞に大まかに対応する孔径を有しており、外径は平滑筋細胞の大きさに大まかに対応する孔径を有している。孔径は管の横断面に沿って急激な勾配に沿って形成されている。内皮細胞は管の内面に播種され、平滑筋細胞は管の外面に播種される。好ましくは、正常な細胞は、受容体から予め得られ、骨格に使用するために成長される。補綴具の内皮側に抗凝固剤のような抗血栓薬剤が添加されてもよい。活性の成長因子もまた添加されてもよい。
【００７４】
任意に、上記のように、可撓性ステントがその収縮形態で骨格の内腔に装入される。次いで、播種された骨格、または播種された骨格／ステント組立体が適切な血管の中へ植え込まれる。存在するなら、ステントは拡張されて骨格を血管の内壁に適所に保持する。時間にわたって、骨格は、その内面において正常の内皮細胞で、外面において正常な平滑筋細胞で占められてそれぞれ機能性内膜層および外膜層を形成する。望ましくは、骨格は、生物分解可能であり、時間にわたって溶解して正常の機能性血管を残す。
【００７５】
本発明の更なる実施形態では、本発明による細胞骨格およびモデル化すべき組織からの複数の成長可能な細胞を含む組織モデル化キットが提供される。成長可能な細胞は細胞骨格において培養される。組織モデル化キットは、例えば、研究用のモデル装置として生体外で使用されてもよい。例えば、組織モデル化キットは種々の用途のための組織擬似体として役立つことができる。
【００７６】
変更例として、組織モデル化キットは、細胞が肝硬変肝臓細胞または癌細胞のような異常疾患状態の細胞である以外、前述のように組織擬似体を形成することにより疾患状態を研究するために生体外で使用されてもよい。その場合、異常対正常の細胞の細胞活性度を比較することができる。
【００７７】
また、組織モデル化キットは、試験物質を特定の細胞応答の評価のための潜在的薬剤候補物質などとして予め選別するのに役立つことができる。例えば、組織モデル化キットは化学療法戦略を定めるための診断試験モデルとして使用されてもよい。細胞が癌細胞である以外、組織擬似体が上記のように形成される。擬似体には、試験剤が投与され、それらの効果性は癌細胞を死滅させるそれらの能力に基づいて定められる。その場合、後述の生体外毒性試験を行なうことによって組織特定の毒性のための期待剤を予め選別することができる。
【００７８】
また、本発明は、組織に対する毒性を生体外で試験する方法を提供する。この方法は、試験すべき組織の少なくとも一部に形状が似ている本発明による細胞骨格を形成することと、細胞骨格における組織から得られた細胞を培養することと、所定量の試験剤を細胞骨格に投与することと、投与に対する細胞の応答を測定することとを有している。興味ある組織のための組織特定の細胞を骨格に播種して組織擬似体として役立つ成長可能な細胞の培養物を形成する。或る濃度の試験物質を擬似体に付け、細胞応答を測定する。細胞応答は細胞の死滅から変更された細胞活性度、そなわち、蛋白質の分泌度まで及ぶことができる。このように、全動物を使用して広範囲の毒性試験を行なう必要なしに組織特定の毒性に関する関連情報を得ることが可能である。
【００７９】
ここでは、本発明を或る好適なまたは模範的な実施形態に関して説明したことは明らかであろう。ここに記載の好適なまたは模範的な実施形態は本発明の目的、精神および範囲から逸脱することなしに変更されたり、変化されたり、追加されたり、偏向されたりすることができ、このような追加例、変更例、補正例および偏向例すべてが請求項の範囲に含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明による３次元不織ポリマー骨格を製造する装置の頂面斜視図である。
【図２Ａ】本発明による不織ポリマー骨格の内部構造の実施形態の分解頂面図である。
【図２Ｂ】本発明による不織ポリマー骨格の内部構造の実施形態の分解頂面図である。
【図２Ｃ】本発明による不織ポリマー骨格の内部構造の実施形態の分解頂面図である。
【図２Ｄ】本発明による不織ポリマー骨格の内部構造の実施形態の分解頂面図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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