JP2012501716A - コーティングした医療用器具、ならびに線維症および被膜形成を低減するための医療用器具のコーティング方法 - Google Patents

Abstract

線維性反応を低減する能力を有する細胞接着タンパク質を含む医療用器具のためのコーティングであって、それぞれの面積が１２μｍ^２未満の分離した島の形をとり、島間の距離が５０μｍ未満である、コーティング。

Description

本発明は、医療用器具（medical device)の表面の細胞接着を調節するコーティング技術に関する。本コーティングは、医療用器具などの異物によって引き起こされる被膜（capsule）形成を予防し、線維症を低減する。

医療用器具が生体細胞および組織に接触すると、その物理化学的特性により異物反応が起こる。この過程においてインプラントの周囲に被膜が形成されるが、この被膜は収縮するため、器具が正常に機能しなくなり、患者に疼痛および異形症など臨床的に関連する合併症を引き起こすことも多く、最終的には新たに外科手術が必要になる。

たとえば審美目的のシリコーン乳房インプラント、胃バンド、歯インプラント、整形外科用インプラント、心臓弁など異質なものに対する細胞の反応は、食作用を受けたり、酵素的に消化されたり、あるいは別の方法で消失したりできずに、その周囲に線維性被膜が形成される。

Prantl L.,and al.(Clinical and morphological conditions in capsular contracture formed around silicone breast implants,Plast Reconstr Surg 2007,120:275-284)には、埋め込まれたプロテーゼの最大２０〜３０％で被膜形成が起こることが報告されている。被膜形成は過剰なものであり、器具の周囲に臨床的に関連する疼痛性の拘縮が起こる。過剰な被膜が形成された患者は、器具の周りの被膜を除去するため第２の手術を受ける必要があり、罹患率および費用が大きく増大する。この過程で器具の寿命は著しく短縮される。

この被膜は材料周囲の慢性炎症過程によるものであり、慢性炎症過程は被膜自体が形成されるまで消失しない。治癒組織中の被膜形成および拘縮には筋線維芽細胞が主要な役割を果たしている。被膜自体が筋線維芽細胞により形成され、収縮される。創傷治癒の過程では、こうした高活性の細胞が増殖および成長して組織欠損部を占め、瘢痕に置き換える。インプラントの周囲では、筋線維芽細胞は異質材料周囲にコラーゲン線維を沈着させ、最終的にはこれを収縮させる。この反応が被膜拘縮を引き起こす。

被膜形成の問題は、特許文献でも考察されている。米国特許第４，７７２，２８５号には、コラーゲンでコーティングした軟部組織プロテーゼが被膜形成を低減することについて記載している。この特許は被膜形成を抑える戦略を提案しているものの、筋線維芽細胞を形成するメカニズムを記載していない。また、臨床的証拠も記載されていない。

さらに米国特許第４，９５５，９０７号；同第４，７３１，０８１号；同第５，５７１，１８３号；同第５，２０７，７０９号；同第５，３５４，３３８号；同第４，４２８，０８２号および同第４，２９８，９９８号も被膜形成を回避または低減する解決策を提案している。

これらの文献にはすべて、ヒトにおけるこの問題を解決するには適していない可能性があるいくつかの共通因子がある。

たとえば米国特許第４，２９８，９９８号には、インプラントの表面から所定の制御された距離に被膜が形成され、これにより、位置は異なるが被膜が生じることが開示されている。最終結果として患者に硬い被膜が臨床的に出現し、この問題は解決されない。

同様に、米国特許第５，２０７，７０９号に記載されたインプラントは、埋め込まれた器具の周囲におけるコラーゲン形成のための曲がりくねった通路を作るために、バスケット織状、ヘリンボーン状、または他の好適なパターンで配置された外面から延在する複数の微小突起を含んでいる。このインプラントは、インプラントの周囲の別の位置にコラーゲン形成を実際に引き起こすか、それを促すため、この場合も問題は解決されないと考えられる。

さらに他の特許は、医療グレードのエラストマー、または米国特許第４，９４４，７４９号に記載されているような、ヒト組織と反応しない医療グレードのシリコーンゴムなど好適な材料で構成された膜による粘性ゲルコーティングで覆われているインプラントに関するものもある。この外膜は、一定量の粘性ゲル、たとえば医療グレードのシリコーンのシリコーンゴムゲルを含む。

結局、この特許も問題の原因となるシリコーン組織界面があることに変わりはないと考えられる。

米国特許第４，６１０，６９０号は、シリコーンシェルまたはバッグの少なくとも１つの壁面に放射線結合したアクリルアミドポリマーの滑らかな層を持つインプラントを対象とする。アクリルアミドポリマー界面のヒトへの長期的な作用の可能性については考察されていない。

これらの上記特許はすべて、非天然化学物質をヒト組織との界面で有しているが、当該化学物質は患者体内に必要のないものであり、問題を引き起こすのが通常である。

米国特許第４，９９５，８８２号には、この問題を解決するため、有機物の充填による解決策が提案されている。インプラントを、充填材料としてピーナッツ油またはヒマワリ種子油などのトリグリセリドを充填した材料の使用について提案している。

欧州ではこの種のインプラントの埋め込みが行われたものもあるが、米国では埋め込みが認可されず、その後様々な問題により市場から回収された。

被膜形成を低減すべく、インプラント表面の改変から化学的コーティングに至るまで多くの戦略が開発されてきたが、組み合わせのみの結果しか報告されておらず、埋め込み可能な器具の需要の増大に伴い、臨床上の問題が増加している。

したがって、本発明は、線維症および被膜の拘縮をさらに低減するか、さらに回避できる医療用器具のコーティング、およびその製造方法を提供することを目的とする。

これは、特定の大きさ、面積、および分布を持つ島のマトリックスに付着させた細胞接着タンパク質で医療用器具の表面をコーティングしてある、医療用器具により達成することができる。

生体細胞および組織に接触して細胞接着を調節すると考えられるこのコーティング表面は、下記の２つの特有の領域で構成される：
１．細胞（組織）が特異的に結合できる領域（島）（コーティング部分）、および
２．細胞（組織）が特異的に結合できない他の領域（非コーティング部分）。

本発明は、概して、医療用器具への細胞接着を行う方法および器具に関する。本発明は、体内の任意の細胞および組織に接触する（埋め込み可能かつ外部）器具をコーティングするためのタンパク質の島を含む方法に関する。

具体的には、本発明は、そのような技術を、体内に埋め込む器具または外部から体内に適用する器具と組み合わせて使用することを企図している。

この提案は、医療用器具の周囲における線維症反応の形成および収縮を低減するためのタンパク質の島に基づく新規な戦略の概要を示す。

本発明の好ましい実施形態によれば、医療用器具は、医療用器具の材料としてのシリコーンを含む。

他の好ましい実施形態は、医療用器具の材料としてのプラスチック、金属および／またはコラーゲンの使用を含む。

本発明の一実施形態によれば、本発明による医療用器具は、幾何学形状が均一であるタンパク質の島を含む。

もう１つの可能性として、異なる幾何学形状の使用である。

一般に、筋線維芽細胞の分化および線維症を防ぐには、単一の島の面積を１２μｍ^２未満にする。

線維症を最も低減する島の分布状態は単一の島で構成され、この島は好ましくはその長さは＜６μｍ、幅は＜２μｍ、および島間の距離は＜６μｍである。

本発明の好ましい実施形態では、医療用器具は、タンパク質の島の転写を促進する別の基材（substrate）をさらに含む。

タンパク質で医療用器具をコーティングする前に医療用器具に適用することが好ましい基材は、シリコーン、プラスチック、生体抵抗性材料などであってもよい。

本発明はさらに、医療用器具をコーティングする方法であって、当該医療用器具を単一の島の形の細胞接着タンパク質でコーティングする方法について記載する。

前述のように、いくつかの実施形態では、医療用器具をタンパク質でコーティングする前に基材（substrate)でコーティングする場合、有利となり得る。

本発明の一実施形態によれば、ステンシルまたはマスク（所定の大きさの穴および分布の島を持つテンプレート）によりタンパク質を医療用器具に施す。

別の実施形態によれば、タンパク質を施すために、ステンシルまたはマスクを医療用器具の表面に接触させ、ステンシルの穴を通してタンパク質を表面に転写する。

医療用器具へのタンパク質の固定は、当該技術分野で知られるどのような候補により行ってもよい。一例として、医療用器具および／または基材へのタンパク質の共有結合、電着または沈殿が挙げられる。

上記の医療用器具は、たとえば乳房インプラント、組織拡張器、膨張式ポンプ（inflatable pump）、インプラント、移植片、プロテーゼ、インスリンポンプ、薬物送達システム、心血管器具、皮膚代用物、創傷被覆材および／またはチューブに使用してもよい。

本発明の一実施形態によるコーティング前後の医療用器具を示す図である。 本発明の好ましい一実施形態による島の形状を例示した図である。 コーティングの付着タンパク質が、長さ＜６μｍ、幅＜２μｍ、および島間の距離＜６μｍの島状に組織化されている。線維芽細胞が表面に付着しても、筋線維芽細胞にならない。 左側図面では、コーティングのない対照表面上で線維芽細胞が筋線維芽細胞（白い細胞）になっている。右側図面では、長さ＜６μｍ、幅＜２μｍ、および島間の距離＜６μｍの島が筋線維芽細胞の形成を阻害している。 長さ＞６μｍ、幅＞２μｍ、および島間の距離＞６μｍの島を有するコーティングの存在下では、線維芽細胞が付着して筋線維芽細胞（白い細胞）になっている。 左側図面において、対照インプラントは、生体組織との界面で線維症（黒色の筋線維芽細胞）および被膜拘縮を引き起こしている。右側図面において、長さ＜６μｍ、幅＜２μｍ、および島間の距離＜６μｍのタンパク質が島状に組織化されたコーティングにより、この反応が数倍低下する。

本発明の前述および他の目的、特徴、態様および利点は、以下の発明を実施するための形態を添付図面と照らし合わせて読むと、より明らかになる。

本発明は、以下に限定されるものではないが、高度に変形可能な弾性基材（以下に限定されるものではないが、シリコーン）、チタン、プラスチック、ポリウレタン、および医療用器具およびインプラントに一般に使用される任意の材料などの医療用器具の表面への細胞接着タンパク質および分子の新規な微細付着（micro-deposition)方法を記載する。

微細に付着させたタンパク質の島は、器具に接触する細胞および組織の線維性反応を低減するために、医療用器具への細胞接着を誘導する。

本発明の実施形態によれば、図１に示すように、微細穿孔ステンシルまたはマスクを使用してタンパク質を転写して医療用器具にコーティングする。１．タンパク質および分子の付着は、特定の島の形をとる。２．タンパク質の島は、任意の可能な幾何学的形状および空間構造および個々の面積を有する。タンパク質の島（２）は、細胞および組織の医療用器具（１）への接着を調節するために付着される。

島間の距離は、１〜５０μｍの幅をとり得る。単一の島の面積は１２μｍ^２未満である。

本発明の好ましい実施形態によれば、線維症を最も低減するタンパク質の島の分布は、単一の島を含み、当該島の長さは＜６μｍ、幅は＜２μｍ、および島間の距離は＜６μｍである。

別の実施形態では、付着した島は、任意の幾何学的形状をとってもよい。本発明を限定するものではないが、図２に例を示す。

島を転写するマスクまたはステンシルは、たとえばフォトリソグラフィー、ドライおよびウエットエッチング、レーザー切断などの技術を用いて微細加工する。

マスクまたはステンシルの種類として、シリコーンおよび可撓性ポリマーから作製される軟質の（soft)ステンシル、ならびに、シリコン、ハードポリマー、および金属から作製される硬質の（hard）ステンシルが挙げられる。

タンパク質を医療用器具、たとえばインプラント表面に付着させるには、最初にステンシルを表面に相似して（conformal）接触させ、次いで３−アミノプロピルトリエトキシシラン（ＡＰＴＥＳ）およびグルタルアルデヒドまたはホルムアルデヒドを用いて共有結合によりステンシルの微小穴を通してタンパク質を表面に転写する。タンパク質の架橋後にステンシルを除去し、パターンがインプラント表面に残る。

もう１つの考えられる方法は、ステンシルまたはマスクの微小穴を通した、インプラントまたは医療用器具表面へのタンパク質の電着または沈殿である。これらの候補は単なる例であり、本発明をこのアプローチによる付着に限定するものではない。

インビトロおよびインビボでの結果から、インプラント周囲の線維症および収縮を低減するうえで島の大きさが重要であることが例示され、本発明の意義が証明された。ヒト皮膚線維芽細胞の筋線維芽細胞（線維症および収縮を引き起こす主要な細胞）への分化を制限する主なメカニズムは、接着面積であることが見出された。

実験では、島は細胞の接着領域（接着斑）に相当し、島の寸法が長さ＜６μｍ、幅＜２μｍ、および島間の距離＜６μｍであると、筋線維芽細胞の形成が妨げられた（図３）。

島が長さ＜６μｍ、幅＜２μｍ、および島間の距離＜６μｍという特定の大きさおよび分布では、線維芽細胞は、当該線維芽細胞が付着して筋線維芽細胞（線維症および収縮を引き起こす主要な細胞）になる表面に対して力を発揮することができない。インビトロでは、この特定の大きさおよび分布のタンパク質は、他の大きさおよび分布のタンパク質でコーティングした器具と比較して、ヒト皮膚線維芽細胞の筋線維芽細胞への分化を１０倍低下した（図４）。より大きい島を付着させると、線維芽細胞が筋線維芽細胞に分化した。この後者の細胞は、本発明により提供される特定の島より大きい島で表面コーティングすると、高い割合（最大２０％）で認められた（図５）。

インビボでは、長さ＜６μｍ、幅＜２μｍ、および島間の距離＜６μｍのタンパク質の島が両側にある、ステンシルまたはマスクを用いて上記のように共有結合的にコーティングしたシリコーンパッド（１×１ｃｍ）をウィスター系雌ラット（２５０〜３５０ｇ）での皮下ポケットに挿入した。これらの動物の背側の肩甲部に、コーティングした４つのシリコーンパッドを入れた。各動物には、一連の動物での位置を交互に入れ替えながら、４つのインプラント、すなわち、長さ＜６μｍ、幅＜２μｍ、および島間の距離＜６μｍの島でコーティングしたインプラント２つ、およびコーティングしていないシリコーンインプラント２つを挿入した。６ヶ月後の結果では、長さ＜６μｍ、幅＜２μｍ、および島間の距離＜６μｍのタンパク質の島でコーティングしたインプラントの周囲の被膜形成が３倍低下することが示されている（図６）。

インビトロおよびインビボでの結果は、線維芽細胞の筋線維芽細胞への形質転換が医療用インプラント周囲の線維症および被膜の拘縮の発生において重要であることを示すと共に、この事象を特異的に低減する本発明の重要性を裏付けるものである。

たとえば長さ＜６μｍ、幅＜２μｍおよび島間の距離＜６μｍなどで最適化されたタンパク質の島の付着は、以下に限定されるものではないが、任意の医療用器具に適用することができる：
・シリコーン乳房インプラント
・組織拡張器および膨張式ポンプ
・骨および軟骨および整形外科用インプラント
・腱、神経および靱帯の移植片、代用物およびインプラント
・インスリンポンプなどの埋め込み可能なポンプおよび薬物送達システム
・ペースメーカー、人工血管、心臓弁、血管ステントなどの心血管器具
・皮膚代用物および細胞足場
・包帯および吸引器に接続される創傷インターフェース（陰圧被覆材）を含む創傷被覆材
・音波（衝撃波治療など）
・耳、咽頭、鼻および眼のインプラント
・脳、中枢および末梢神経系インプラントならびにプロテーゼ
・チューブ、連結チューブ、ドレナージチューブ系

Claims (15)

1. 線維性反応を低減する能力を有する細胞接着タンパク質を含む医療用器具のためのコーティングであって、それぞれの面積が１２μｍ^２未満の分離した島の形をとり、前記島間の距離が５０μｍ未満である、コーティング。
2. 前記島間の距離は、６μｍ未満である、請求項１に記載のコーティング。
3. 前記島間の距離は、１μｍを超える、請求項１または２に記載のコーティング。
4. 前記細胞接着タンパク質は、コラーゲンからなる、請求項１〜３のいずれか１項に記載のコーティング。
5. 前記細胞接着タンパク質は、フィブロネクチン単独、ビトロネクチン単独、あるいはこれらの組み合わせからなる、請求項１〜３のいずれか１項に記載のコーティング。
6. 前記島は、均一な幾何学的形状を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載のコーティング。
7. 前記島は、不均一な幾何学的形状を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載のコーティング。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のコーティングを含む、医療用器具。
9. 前記タンパク質の島の転写を促進するように構成された別の基材を含む、請求項８に記載の医療用器具。
10. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のコーティングを医療用器具に固定する方法であって、前記タンパク質がステンシルにより塗布／転写される工程を含む、方法。
11. 前記ステンシルは前記医療用器具の表面に接触され、前記タンパク質は前記ステンシルの穴を通して前記表面に固定される、請求項１に記載の方法。
12. 請求項１０または１１に記載の方法で用いられるステンシルまたはマスクであって、フォトリソグラフィー、ドライまたはウエットエッチング、レーザー切断によって得られる、ステンシルまたはマスク。
13. 軟質であり、かつ、シリコーンおよび可撓性ポリマーから作製される、請求項１２に記載のステンシル。
14. 硬質であり、かつ、シリコン、ハードポリマー、および金属から作製される、請求項１２に記載のステンシル。
15. 線維症を低減するための液体溶液として、長さが６μｍ未満、幅が２μｍ未満である島を含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載のコーティングの使用。

Images