組織工学原理

引用

Lanza, R., Langer, R., Vacanti, J. P., & Atala, A. (Eds.). (2020). Principles of Tissue Engineering (5th ed.). Academic Press.

章の要約

本書は複数の著者による参考書で、全88章が23の部に分かれている。編者は Robert Lanza、Robert Langer、Joseph P. Vacanti、Anthony Atala である。出版社は構成を三層で説明している。組織の成長と発生の基礎、組織や器官を設計するための方法と道具、そして器官系ごとの現在の知見である。第5版では新興技術の部が加わり、幹細胞の内容が増え、食品向けの組織工学の章も加わった。以下では章題を部ごとにまとめる。

序論（第1〜4章）

概観の4章：From Mathematical Models to Clinical Reality；Stem Cells as Building Blocks；Moving into the Clinic；Tissue Engineering: Current Status and Future Perspectives。技術的な部に入る前に分野の全体像を示す。

第1〜3部：成長と分化、in vitro での制御、in vivo での合成（第5〜16章）

第1部「The Basis of Growth and Differentiation」は、細胞の分子生物学と分子構成から始まり、細胞と基質の相互作用、基質分子とそのリガンド、形態形成、遺伝子発現と細胞運命の決定へ進む。第2部「In Vitro Control of Tissue Development」は、機能的な組織をつくるための培養条件、バイオリアクター設計の原理、細胞外タンパク質による細胞挙動の調節、分岐形態形成、メカノバイオロジーを扱う。第3部は In Vivo Synthesis of Tissues and Organs の1章のみである。

第4〜5部：生体材料、移植（第17〜23章）

第4部「Biomaterials in Tissue Engineering」には Cell Interactions with Polymers、Polymer Scaffold Fabrication、Biodegradable Polymers、3D Scaffolds の各章がある。第5部「Transplantation of Engineered Cells and Tissues」は、宿主の免疫応答、胎児期の組織工学と移植、免疫隔離デバイスを扱う。

第6〜7部：幹細胞、遺伝子治療（第24〜30章）

第6部は5章からなる：Embryonic Stem Cells、Induced Pluripotent Stem Cells、Neonatal Stem Cells in Tissue Engineering、Embryonic Stem Cells as a Cell Source for Tissue Engineering、Postnatal Stem Cells in Tissue Engineering。第7部は Gene Therapy と Gene Delivery into Cells and Tissues を組にしている。

第8〜19部：器官系ごとの応用（第31〜73章）

本書で最も長い部分である。各部は、乳房、心血管系（前駆細胞と心臓再生、心臓組織工学、血管、心臓弁）、内分泌・代謝（膵島、バイオ人工膵臓、胸腺と副甲状腺）、消化器系（肝幹細胞と肝組織工学を含む）、造血系、腎・泌尿生殖器系、筋骨格系（骨、椎間板、関節軟骨、腱と靱帯）、神経系、眼科、口腔・歯科、呼吸器系、皮膚（皮膚上皮幹細胞、創傷修復、バイオ工学による皮膚構築物）の順である。

第20〜21部：組織工学による食品、新興技術（第74〜80章）

第20部には Principles of Tissue Engineering for Food と Prospects for In Vitro Cultured Meat がある。第21部は 3D Bioprinting、Biofabricated 3D Tissue Models、Body-on-a-Chip、Monitoring and Real-Time Control of Tissue Engineered Systems、Bio-Manufacturing for Regenerative Medicine を扱う。

第22〜23部：臨床経験、規制・商業化・倫理（第81〜88章）

第22部は、組織工学による皮膚、軟骨、骨、心血管製品、臓器の臨床経験を述べる。第23部は The Regulatory Process from Concept to Market、Business Issues、Ethical Issues で終わる。

主要概念

序論と第1〜3部

• 構成要素としての幹細胞：工学的組織の細胞源。冒頭の章で紹介され、第6部で詳しく扱われる。
• 細胞外マトリックスと細胞挙動：細胞とマトリックスの相互作用、基質分子、細胞外タンパク質シグナルに関する章。
• バイオリアクター設計：工学的組織を in vitro で培養するための原理。
• メカノバイオロジー：組織発生と器官工学における力学的な力の役割。

第4〜7部

• 足場：高分子足場の作製、生分解性高分子、3次元足場。
• 宿主の免疫応答：移植された工学的組織に対する免疫の障壁。免疫隔離デバイスはその対応の一つ。
• 人工多能性幹細胞：幹細胞の部で独立した章をもつ細胞源。
• 遺伝子導入：細胞や組織への遺伝子の導入。第7部で扱う。

第8〜23部

• 器官別の戦略：同じ道具立てを組織ごとに適用する。軟骨や骨から角膜、肺まで。
• バイオプリンティングとボディ・オン・ア・チップ：新興技術の部に集められた技術。
• 規制と商業化：概念から市場までの道筋と、事業上・倫理上の問題。

批判的分析

長所

• 幅広さが一か所に。 88章が、細胞生物学、材料、バイオリアクター、移植免疫、幹細胞、遺伝子治療、十数の器官系の部を覆い、最後に臨床経験と規制が置かれる。
• 選択的に読みやすい構成。 部に分かれているので、関心のある器官系や道具にそのまま進める。出版社は、生物学、化学、材料科学、工学のバランスをとった書だと述べている。
• 臨床に至る道筋を含む。 臨床経験の第22部と、規制・商業化・倫理の第23部は、分野の参考書では珍しく、トランスレーションを理解したい読者に役立つ。
• 第5版で更新。 iPS細胞、幹細胞ニッチ、幹細胞由来の血液成分、食品への応用、そしてバイオプリンティングやボディ・オン・ア・チップを含む新興技術の部が加わった。

短所

• 参考書であり、授業の順序ではない。 執筆者が多く88章あり、調べるために作られている。出版社が挙げる読者は、幹細胞工学や遺伝子編集に携わる科学者と各診療科の医師であり、この分野に入ったばかりの学生には、どこを飛ばすかの案内が必要になる。
• 深さの不均一は設計上のもの。 器官別の各部は1章から7章までで、ある組織の扱いはその部に割り当てられた章数に左右される。
• 分量。 規模のために通読は難しく、1学期の授業で使えるのはその一部にすぎない。

コースにおける位置づけ

組織工学の読書リストの中で、本書は最上位にある大型の参考書である。Birla の Introduction to Tissue Engineering と van Blitterswijk の Tissue Engineering は教科書で、前者はこの分野を工学設計の問題として扱う単著の入門書、後者は基礎から個別の組織とトランスレーションへと進む、複数の著者による授業用教科書である。Slack の Stem Cells: A Very Short Introduction は専門外の読者向けの短い概説である。出発点としては、いずれも Lanza より適している。

Yannas の Tissue and Organ Regeneration in Adults は、皮膚と神経の誘導再生に絞った専門書である。教科書が簡単にしか触れない話題を調べたいときや、分野全体が何を含むかを知りたいときは Lanza を引き、広がりと一つの深い議論の両方を求めるなら Yannas と組み合わせるとよい。

本書の使い方

教科書と並べて使う参考書として扱い、最初から最後まで通読する本とは考えないこと。細胞生物学や生体医工学の素養がある読者は、序論の各章で分野の範囲をつかみ、その後、研究課題や授業の主題に合う部に進むとよい。

• 一般的な授業での中核： 序論、in vitro での制御を扱う第2部、生体材料の第4部、幹細胞の部、そして最後の臨床・規制・倫理の部。
• 関心に応じて： 第8〜19部から必要な器官系の部を選ぶ。バイオプリンティングやオルガン・オン・チップの手法は新興技術の部を読む。
• 実用上のコツ： 教科書がある組織や方法を紹介したら、ここで対応する章を探し、専門家による記述を読む。