コラーゲンは生体適合性が高く生物分解性の素材であるが、機械的強度が低いことから、実際の移植材料として用いることが難しい。しかし、配向コラーゲンシート上で生体と類似した細胞の配向を誘導することで、細胞シートの強度を上げることが可能である。コラーゲンはフィブリンのような他の細胞外マトリックスと違い体外で配向させるのは難しいと知られている。今まで、コラーゲンを配向するために流れを起こすマイクロ流路、微細構造作製のためのフォトリソグラフィなどが必要だった。この方法では数十マイクロメートルの幅にコラーゲンの配向が限定されるまたは大型装置が必要となる。私は先行研究で、配向に必要な３つの要因である伸縮の周波数と振幅、時間の変化によりコラーゲン配列への影響があることを示した。この方法は非常に単純な方法で広範囲にわたってコラーゲン繊維を配向できる手法である。さらに、周期的伸縮運動により作製されたコラーゲンシート上で物理刺激なしで骨格筋細胞と角膜実質細胞を培養すると、コラーゲン繊維の方向に細胞が配向することを示した。配向コラーゲンシート上で培養した細胞は、細胞の配向によりコラーゲン産生が増加するなど細胞の活性化を示した。さらに、平面だけでなく、3次元の半円柱の基盤上のコラーゲンシートのナノファイバの配向が可能であることを示した。このようなコラーゲン繊維の円周方向の配向は血管のコラーゲン構造と類似している。このような先行研究をもとに、配向コラーゲンシート上で血管細胞と心筋細胞又は骨細胞を用いて培養細胞シートを作製する。シートを積層化することで、血管構造を持つ３次元培養組織の作製が可能になる。３次元培養心筋組織は虚血性心疾患を、３次元培養骨組織は難治性骨折患者を対象としている。このような３次元培養組織を移植することで、心臓と骨の再生医療を実現させる。

周期的伸縮運動を利用した配向コラーゲンシート作製の模式図

周期的伸縮運動により作成した配向コラーゲンシート

コラーゲンナノファイバ配向による培養細胞の配向