ジョーン・ニコルズは、研究室にある「肺」に夜通し付きっきりだ。肺は赤ん坊と同じように、デリケートで発達途上でいつも目が離せない。

彼女とテキサス大学医学部ガルヴェストン校の「肺ラボ」研究チームはここ数年、毎日交代で午前1時にラボに戻っている。それは培養臓器［日本語版記事］の入ったバイオリアクターが水漏れを起こしていないか、肺を浸している栄養たっぷりの培養液がきちんと循環しているか、できたばかりの肺胞や血管が何かに感染していないか、入念にチェックするためだ。

最後の感染リスクは、常に不安の種だった。肺をつくるには、組織を何週間にもわたって温かく湿った環境におく必要がある。だがこういった環境は、カビにとっても天国だ。テキサス州ガルヴェストンの亜熱帯気候も問題になる。「この街では長いこと座っていると、人にもカビが生えるんです」と、ニコルズは言う。

ニコルズらの献身は報われた。チームは2014年に世界で初めて、ヒトの肺のバイオエンジニアリングに成功したのだ。チームはその1年後、ラボで培養した肺をブタに移植した。これも史上初の快挙だ。以降、さらに3回のブタ肺移植に成功した。移植先の個体から取った細胞を利用して培養した肺を、免疫抑制剤を使うことなく移植した。

「オーダーメイド」を実現する大きな一歩

ニコルズらは、計4回のブタ肺移植の結果を論文にまとめ、18年8月1日付で医学誌『Science Translational Medicine』に掲載した。これは患者自身の細胞を使って、ヒトの臓器をオーダーメイドで培養し移植する技術の実現に向けた、大きな前進だ。

バイオリアクターで30日間成長させたブタの肺。PHOTOGRAPH COURTESY OF JOAN NICHOLS

肺のバイオエンジニアリングは、粘土を使った造形に少し似ている。彫刻家が針金の骨組みを使って粘土の形を保つように、ニコルズのチームは肺の組織や血管を、丈夫で柔軟なたんぱく質の枠組みに沿って、ラボで培養した。

具体的には、死んだブタからとった肺組織を糖と洗剤の混合液に漬けて、前の持ち主の細胞や血管を完全に除去してつくられた。ちょうど、古いテーブルの塗装をはがすような感じだ。

ニコルズは、残った乳白色の塊を「臓器の骨格」と呼ぶ。主成分はコラーゲンとエラスチンだ。前者が強度を、後者が柔軟性をもたらす。

骨格は、ひとつずつバイオリアクターに入れられる。たんぱく質の塊を入れるこの装置も、ニコルズのチームがゼロからつくりだしたものだ。初期モデルは、ちょっと見映えのいい熱帯魚の水槽のようだった。現在の最新型にも、いまだにホームセンターの「ホームデポ」で買ったパーツが使われている。

バイオリアクターのなかにあるブタの肺。気管、肺動脈、肺静脈を通るカテーテルの配置を研究チームが外から確認できるように固定してある。PHOTOGRAPH COURTESY OF JOAN NICHOLS

つくりは質素でも、バイオリアクターの役割は極めて重要だ。「この装置を通じて、臓器に必要な成長因子、培地、機械的な刺激を与えるのです」と語るのは、ラボをニコルズとともに率いる小児麻酔医のホアキン・コリエラだ。

バイオリアクターは、胎盤に似て温かく快適、かつ栄養豊富な環境で肺が成長することを可能にする。肺は30日後に生きて呼吸しているブタの胸腔内に移植され、生まれもった肺の隣に収まる。

バイオリアクターの略図。微小流体システム、ポンプ、老廃物除去装置が相互に接続している。IMAGE COURTESY OF J. NICHOLS ET AL./SCIENCE TRANSLATIONAL MEDICINE

コロンビア大学幹細胞・組織エンジニアリング研究所の所長を務めている生物工学者のゴルダナ・ヴニャク＝ノヴァコヴィッチは、バイオリアクターのなかで1カ月にわたって肺を成長させたことは画期的な成果だと語る（彼女は今回の研究には関与していない）。

以前とは異なり「血管が発達している」

ヴニャク＝ノヴァコヴィッチは『WIRED』US版の取材に対して、「これまでの研究では、肺の培養期間がずっと短かいものでした」と説明する。このため血管の発達不全がみられ、これが肺の生存を妨げる主要因となっていた。だが、ニコルズとコリエラが時間をかけてバイオエンジニアリングで生み出した肺は、従来のものよりも血管が発達している。

小型の実験動物を使った過去の研究では、肺に液体がたまり、移植個体はわずか数時間で死亡した。一方、ニコルズとコリエラの研究では、発達した血管系のおかげで、肺移植後のブタは2カ月にわたって生存し、合併症は確認されなかった。

ブタが2カ月以降、どうなっていたかはわからない。実験に使われた4頭のブタはそれぞれ、移植後10時間、2週間、1カ月、2カ月の時点で安楽死させ、移植後の培養肺が移植個体の体内でどう発達したかが調べられた。

培養肺が問題なく定着しているのは、どの点をみても明らかだった。血管と肺組織が発達を続け、ブタの肺に固有のマイクロバイオーム（微生物叢）が定着していた。呼吸器疾患や、免疫系による拒絶反応の兆候は一切みられなかった。

さらなる検証が必要

残る大きな課題は、培養肺がどのくらい酸素を供給できるかだ。どのブタも、酸素供給量は通常の範囲内だったが、残っていたもともとの肺の機能によるものかもしれない。研究チームは移植した培養肺は発達途上であるため、もとの肺の呼吸機能を停止して単独でテストするのはリスクが高いと判断した。

これについては今後の実験で検証される予定だ。コリエラとニコルズは、今後ブタを移植後1年以上は生存させるつもりだという。

こうした研究には、さらに多くの実験動物が必要になる。ヴニャク＝ノヴァコヴィッチは、「現状では（移植した）実験動物の数がとても少ないので、この技術の確実性は興味深いところです」と語る。とはいえ、結果はとても有望だ。十分な予算さえあれば「10年以内にヒトへの培養肺移植を実現できる」と、ニコルズとコリエラは考えている。

だが、まずはもっと実験が必要だ。それも、もっと設備の整った、信頼のおける実験施設で行う必要がある。

ニコルズの「ほしいものリスト」の上位にあるのは、まずバイオリアクターを設置する無菌室だ。そこは、頭のてっぺんからつま先まで防護服で覆った研究者だけが入れる部屋になるだろう。また、機材の自動化も進めたいと考えている。そうすれば手作業が減り、ミスが発生するリスクも抑えられる。

それに言うまでもないが、ニコルズは肺の様子をライヴカメラでチェックできるようになる日を心待ちにしている。培養肺の世話は今後もずっと24時間態勢になるだろう。しかし少なくともヴィデオモニターがあれば、ラボのメンバーにもリモートワークが許されることになる。