JP2010154892A - 人工心筋装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 再生心筋としての効果を併せ持つ人工心筋装置を提供する。
【解決手段】 人工心筋装置において、心臓Ａの機能を補助するための補助循環装置であって、形状記憶合金を用いたアクチュエータ機構５を備え、このアクチュエータ機構５は経皮エネルギー伝送システム７を介して体内９にエネルギーが非侵襲的に供給される完全埋め込み型であり、このアクチュエータ機構５を心筋繊維の走行方向に平行して心筋１の外面に装着することにより心臓Ａの拍動をアシストし、心筋１の表面には再生医療の方法論により培養した心筋細胞シート２を接着して前記アクチュエータ機構５との間に介在させ、慢性期には再生した心筋で前記心筋１の拍動を補助すると同時に、心筋細胞からのサイトカインの分泌により前記心筋の増殖を促し、あるいは、血管再生の作用により前記心筋の拍動力を増強させる再生医療機能を保持する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、心不全の治療等に用いる人工心筋に再生心筋の機能を組み合わせた心筋再生機能を有する人工心筋装置に関するものである。

従来用いられてきた人工心筋装置として、空気圧駆動型補助人工心臓がある。これは空気圧で圧搾して血液を拍出するポンプで、下記特許文献１に記載されている。しかしながら、空気圧で駆動する補助人工心臓は体外設置型であり、感染症の危険がある。これに対して、下記特許文献２に記載されるような埋め込み型の補助人工心臓も開発されているが、補助人工心臓のポンプは血栓形成による塞栓症の発生の危険がある。また、下記特許文献３に記載されているように、心室を圧迫する装置も考案されているが、空気圧方式や油圧方式はシステムが巨大になり、完全埋め込みには難がある。

また、心筋の再生医療の方法論に関しては、下記特許文献４に記載するような方法論が報告されているが、心筋の再生医療においては効果の発現に時間がかかり、急性の心不全では急性期の循環を維持することができないという問題がある。また、現段階では一層の心筋シートを作成することが可能になってきているが、２−３層になってくると、血液還流が困難になってくる。再生された心筋細胞シートは、１層で数十ミクロン単位の大きさになるが、人体の心筋は１ｃｍ前後の厚みがあるので、心筋の拍動を助けるだけのパワーを発生させるには現実的ではないという問題がある。そのため、現在考案されている心筋シートの臨床応用における効果は、再生心筋の各種サイトカインによる心筋増殖効果と、血管再生の作用に主として依存すると報告されている。

図３は正常な心臓の構造を示す図、図４はその心臓の拍動のシステムを示す図である。

この図において、１０１は左心室、１０２は右心室、１０３は心室中隔、１０４は大動脈、１０５は肺動脈、１０６は大動脈弁、１０７は大静脈、１０８は右心房、１０９は三尖弁（右房室弁）、１１０は心房中隔、１１１は肺動脈弁、１１２は肺静脈、１１３は左心房、１１４は僧帽弁（左房室弁）である。

心臓は、血液を体の隅々にまで循環させるためのポンプの役割を果たしている。つまり、心臓は、拍動を繰り返し、血液を送り出す。

以下、心臓の拍動、つまり心臓の収縮及び拡張について説明する。

まず、図４（ａ）に示すように、右心房１０８、左心房１１３とも血液で満たされている。三尖弁１０９、肺動脈弁１１１、大動脈弁１０６、僧帽弁１１４は全て閉じられている。

次に、図４（ｂ）に示すように、左右の三尖弁１０９と僧帽弁１１４が開いて、血液が右心室１０２、左心室１０１に流れ込み、右心室１０２と左心室１０１が血液で満たされる〔図４（ｃ）〕。

次に、図４（ｄ）に示すように、右心室１０２と左心室１０１が縮んで血液を押し出す。つまり、右心室１０２が縮んで肺動脈弁１１１が開き、血液を肺動脈１０５から肺（図示なし）へ、左心室１０１が縮んで大動脈弁１０６が開き、血液を大動脈１０４から全身（図示なし）にそれぞれ送り出す。

次いで、右心房１０８と左心房１１３が膨らんで、次の血液が流れ込み、図４（ａ）の状態に戻り、順次、心臓の拍動が継続される。
特開平６−１０５９０２号公報 特開２００３−５２８１０号公報 国際公開第０４／１１２８６８号公報 特開２００８−１２６０８７号公報

上記のように、補助人工心臓には感染症と血栓形成の問題がある。また、再生心筋は、効果発現に時間がかかりすぎ心補助効果の発現を待つ間に患者が死亡してしまうという問題がある。さらに、再生心筋が心筋と同じだけのパワーを発現するには、原理的には百数十枚以上の心筋シートの積層化が必要であり、栄養血管が存在しないと心筋シートは壊死してしまうので、現実性がないという問題がある。

本発明は、上記状況に鑑みて、心筋を外側から圧迫して心臓マッサージを行う人工心筋システムを使って、内面の血栓形成を回避すると同時に、急性期における心拍動補助効果を得て、患者の生命予後とＱＯＬを改善させることができる人工心筋装置を提供することを目的とする。

また、同時にシステム内面に装着塗布する心筋細胞により、心筋の拍動力の増強と血管新生による心筋回復を実現することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕人工心筋装置において、心臓の機能を補助するための補助循環装置であって、形状記憶合金を用いたアクチュエータ機構を備え、このアクチュエータ機構は経皮エネルギー伝送装置を介して体内にエネルギーが非侵襲的に供給される完全埋め込み型であり、このアクチュエータ機構を心筋繊維の走行方向に平行して自己心筋の外面に装着することにより、心臓の拍動をアシストすることを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の人工心筋装置において、前記自己心筋の表面に再生医療の方法論により培養した心筋細胞シートを接着して前記アクチュエータ機構との間に介在させ、慢性期には再生した心筋で前記自己心筋の拍動を補助すると同時に、心筋細胞からのサイトカインの分泌により前記心筋の増殖を促し、あるいは、血管再生の作用により前記自己心筋の拍動力を増強させる再生医療機能を保持することを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕記載の人工心筋装置において、再生医療の方法論により培養した心筋細胞を前記自己心筋の表面に塗布し、慢性期には再生した心筋で前記自己心筋の拍動を補助すると同時に、心筋細胞からのサイトカインの分泌により前記心筋の増殖を促し、あるいは、血管再生の作用により前記自己心筋の拍動力を増強させる再生医療機能を保持することを特徴とする。

〔４〕上記〔１〕記載の人工心筋装置において、再生医療の方法論により培養した心筋細胞を前記自己心筋内に注入し、慢性期には再生した心筋で前記自己心筋の拍動を補助すると同時に、心筋細胞からのサイトカインの分泌により前記心筋の増殖を促し、あるいは、血管再生の作用により前記自己心筋の拍動力を増強させる再生医療機能を保持することを特徴とする。

〔５〕上記〔２〕記載の人工心筋装置において、ＥＳ細胞や、誘導多能性幹細胞（ｉＰＳ細胞）、筋芽細胞などの細胞株から前記心筋細胞シートを培養し、人工心筋の自己心筋装着面や、人工心筋の外面に装着し、前記自己心筋拍動力の回復を図ると同時に、前記心筋細胞シートの影響で血管の増殖因子を増加させ、前記心筋の再生を促進させることを特徴とする。

本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。

（１）心臓の機能を補助するための補助循環装置であって、形状記憶合金を用いたアクチュエータ機構を持ち、このアクチュエータ機構を心筋繊維の走行方向に平行して自己心筋の外側に装着することにより、心臓の拍動を効率的に助け、経皮エネルギー伝送装置により無菌的にエネルギーを送ることができる完全埋め込み型であることを特徴とした人工心筋装置が得られる。

（２）人工心筋装置の心臓への装着部位に再生医療の方法論により培養した心筋細胞シートを接着して自己心臓との間に介在させ、あるいは、自己心筋の表面に塗布または心筋内に注入することにより、慢性期には再生した心筋で、自己心筋の拍動を補助すると同時に、心筋細胞からのサイトカインの分泌により心筋の増殖を促し、あるいは、血管再生の作用により、自己心筋の拍動力を増強させることができる。

（３）心臓に装着する補助循環装置の装着部位に再生医療の方法論により培養した心筋細胞を注入または塗布することにより、慢性期には再生した心筋で自己心筋の拍動を補助すると同時に、心筋細胞からのサイトカインの分泌により心筋の増殖を促して自己心筋の拍動力を増強させることができる。

（４）ＥＳ細胞や、誘導多能性幹細胞（ｉＰＳ細胞）、筋芽細胞などの細胞株から心筋細胞シートなどを培養し、人工心筋の心筋装着面や、人工心筋の外面に装着し、心筋拍動力の回復を図ると同時に、心筋細胞シートの影響で血管の増殖因子を増加させ、心筋の再生を促すことができる。

本発明の人工心筋装置は、心臓の機能を補助するための補助循環装置であって、形状記憶合金を用いたアクチュエータ機構を備え、該アクチュエータ機構は経皮エネルギー伝送装置を介して体内にエネルギーが非侵襲的に供給される完全埋め込み型であり、該アクチュエータ機構を心筋繊維の走行方向に平行して自己心筋の外面に装着することにより、心臓の拍動をアシストする。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の実施例を示す心筋再生機能を保持する人工心筋装置の概略構成図、図２は図１に示される人工心筋装置の再生心筋シートの拡大図である。

図１において、心臓Ａの心筋１の外面には再生医療の方法論により作製された再生心筋シート２が装着されている。この再生心筋シート（心筋細胞シート）２は、ＥＳ細胞やｉＰＳ細胞などから作製される再生心筋細胞２Ａを有するシートである。これにより、再生心筋の増殖と、再生心筋細胞２Ａから放出される各種サイトカインによる残存心筋の増殖と、血管再生が期待できる。しかし、再生心筋の効果発現には時間がかかる。急性心不全では、再生心筋の効果発現まで待つ間に患者が死亡してしまうことになるので、急性期の
循環を維持するために、再生心筋シート２の外側には人工心筋３が装着される。人工心筋３は拍動を一時的にアシストするデバイスなので、圧迫により再生心筋に対して障害を与える危険は少ない。また、再生心筋シート２と人工心筋３は違う部位に装着することもできるので、その装着部位は病態に応じて適宜選択することができる。

ここで、人工心筋３のアクチュエータ機構として、図１には、形状記憶合金４によるアクチュエータ機構５が示されている。ここで、形状記憶合金４は、例えば、熱弾性マルテンサイト変態を示す合金であり、形状記憶作用を有する。ＮｉＴｉ合金にニチノールと呼ばれ、その代表的な合金である。５０〜５２ａｔ％Ｎｉを含み、マルテンサイト変態開始温度Ｍ_s および逆変態開始温度Ａ_s は組成に依存する。

そこで、マルテンサイト変態開始温度Ｍ_s と逆変態開始温度Ａ_s とが設定された形状記憶合金４からなる人工心筋３は、コントローラ６による加熱通電により変形し、心筋１の拍動を病態に応じて適宜アシストすることができる。他に、油圧、水圧、空気圧等を利用したアクチュエータ機構を応用することもできる。

ここでは、エネルギーは経皮的エネルギー伝送システム７により体外１０から皮膚８を介して非侵襲的に供給される。磁気エネルギーのみが体内９に供給されるので、皮膚８を貫通することはなく、感染症にも強い、安全なシステムであるといえる。

なお、体外１０には充電式電池１１を有する携帯電源１２が配置されており、この携帯電源１２にはインバータ回路１２Ａを介してエネルギー放射用送信コイル１３を備えている。一方、体内９にはエネルギー放射用送信コイル１３からのエネルギーを受けるエネルギー受領用受信コイル１４を備えており、このエネルギー受領用受信コイル１４からのエネルギーは充電式電池１５を内蔵するコントローラ６に供給され、このコントローラ６を制御して形状記憶合金４からなる人工心筋３へ通電することにより、心筋１の機能を病態に応じて適宜アシストする。コントローラ６には、人工心筋の収縮３の収縮を心筋１の収縮に同期させて行わせるためにＥＣＧ（心電図）１６が内蔵されている。なお、エネルギー放射用送信コイル１３及びエネルギー受領用受信コイル１４に用いられる周波数としては、例えば、２００ｋＨｚから４００ｋＨｚが伝送効率が高くなり好ましい。

また、再生心筋の効果発現までのアシストシステムとして、人工心筋３に代えて空気圧駆動や電磁駆動ロータリポンプ型の補助人工心臓を用いることもできる。

このように、心筋１の表面には再生医療の方法論により培養した再生心筋シート２を装着し、慢性期には再生した心筋で心筋１の拍動を補助すると同時に、再生心筋細胞２Ａからのサイトカインの分泌により心筋１の増殖を促し、あるいは、血管再生の作用により、心筋１の拍動力を増強させる再生医療機能を保持することができる。この時、再生心筋細胞２Ａを心筋１の表面に塗布又は心筋１内に注入するようにしてもよい。

また、同様に補助人工心臓などの心臓に装着する補助循環装置においても、その装着部位に再生医療の方法論により培養した再生心筋細胞２Ａを注入又は塗布し、慢性期には再生した心筋で心筋１の拍動を補助すると同時に、再生心筋細胞２Ａからのサイトカインの分泌により心筋１の増殖を促し、あるいは、血管再生の作用により、心筋１の拍動力を増強させる再生医療機能を保持することができる。

なお、再生心筋シート（心筋細胞シート）は、ＥＳ細胞や、誘導多能性幹細胞（ｉＰＳ細胞）、筋芽細胞などの細胞株から培養し、人工心筋の心筋装着面や、人工心筋の外面に装着することで、心筋拍動力の回復を図ると同時に、心筋細胞シートの影響で血管の増殖因子を増加させ、心筋の再生を促すことができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の心筋再生機能を有する人工心筋装置は、心臓移植までのブリッジユース等の補助循環システムとしてだけではなく、生涯にわたって永久的に使用できる究極のセラピー（ｄｅｓｔｉｎａｔｉｏｎ ｔｈｅｒａｐｙ）用補助循環システムとして半永久的に使用することもできる。

本発明の実施例を示す心筋再生機能を保持する人工心筋装置の概略構成図である。 図１に示される人工心筋装置の再生心筋シートの拡大図である。 正常な心臓の構造を示す図である。 心臓の拍動のシステムを示す図である。

符号の説明

１ 心筋
２ 再生心筋シート（心筋細胞シート）
２Ａ 再生心筋細胞
３ 人工心筋
４ 形状記憶合金
５ アクチュエータ機構
６ コントローラ
７ 経皮的エネルギー伝送システム
８ 皮膚
９ 体内
１０ 体外
１１，１５ 充電式電池
１２ 携帯電源
１２Ａ インバータ回路
１３ エネルギー放射用送信コイル
１４ エネルギー受領用受信コイル
１６ ＥＣＧ（心電図）

Claims (5)

1. 心臓の機能を補助するための補助循環装置であって、形状記憶合金を用いたアクチュエータ機構を備え、該アクチュエータ機構は経皮エネルギー伝送装置を介して体内にエネルギーが非侵襲的に供給される完全埋め込み型であり、該アクチュエータ機構を心筋繊維の走行方向に平行して自己心筋の外面に装着することにより、心臓の拍動をアシストすることを特徴とする人工心筋装置。
2. 請求項１記載の人工心筋装置において、前記自己心筋の表面に再生医療の方法論により培養した心筋細胞シートを接着して前記アクチュエータ機構との間に介在させ、慢性期には再生した心筋で前記自己心筋の拍動を補助すると同時に、心筋細胞からのサイトカインの分泌により前記心筋の増殖を促し、あるいは、血管再生の作用により前記自己心筋の拍動力を増強させる再生医療機能を保持することを特徴とする人工心筋装置。
3. 請求項１記載の人工心筋装置において、再生医療の方法論により培養した心筋細胞を前記自己心筋の表面に塗布し、慢性期には再生した心筋で前記自己心筋の拍動を補助すると同時に、心筋細胞からのサイトカインの分泌により前記心筋の増殖を促し、あるいは、血管再生の作用により前記自己心筋の拍動力を増強させる再生医療機能を保持することを特徴とする人工心筋装置。
4. 請求項１記載の人工心筋装置において、再生医療の方法論により培養した心筋細胞を前記自己心筋内に注入し、慢性期には再生した心筋で前記自己心筋の拍動を補助すると同時に、心筋細胞からのサイトカインの分泌により前記心筋の増殖を促し、あるいは、血管再生の作用により前記自己心筋の拍動力を増強させる再生医療機能を保持することを特徴とする人工心筋装置。
5. 請求項２記載の人工心筋装置において、ＥＳ細胞や、誘導多能性幹細胞（ｉＰＳ細胞）、筋芽細胞などの細胞株から前記心筋細胞シートを培養し、人工心筋の自己心筋装着面や、人工心筋の外面に装着し、前記自己心筋拍動力の回復を図ると同時に、前記心筋細胞シートの影響で血管の増殖因子を増加させ、前記心筋の再生を促進させることを特徴とする人工心筋装置。