革新的医療機器開発を加速する規制環境整備に関する研究

文献情報

• 文献番号: 201427023A
• 報告書区分: 総括
• 研究課題名: 革新的医療機器開発を加速する規制環境整備に関する研究
• 課題番号: H24-医薬-指定-018
• 研究年度: 平成26(2014)年度
• 研究代表者(所属機関): 新見 伸吾(国立医薬品食品衛生研究所 医療機器部)

研究分担者(所属機関)

• 蓜島　由二(国立医薬品食品衛生研究所　医療機器部 )
• 宮島　敦子(国立医薬品食品衛生研究所　医療機器部 )
• 澤田　留美(国立医薬品食品衛生研究所　医療機器部 )
• 加藤　玲子(国立医薬品食品衛生研究所　医療機器部 )
• 河上　強志(国立医薬品食品衛生研究所　生活衛生化学部)
• 植松　美幸(国立医薬品食品衛生研究所　医療機器部 )
• 石原　一彦(東京大学大学院　工学系研究科　マテリアル工学専攻)
• 佐々木　啓一(東北大学大学院　歯学研究科　歯科インプラント学)
• 田中　賢(山形大学大学院　理工学研究科　バイオ化学工学専攻)

• 研究区分: 厚生労働科学研究費補助金 健康安全確保総合研究分野 【補助金】 医薬品・医療機器等レギュラトリーサイエンス総合研究
• 研究開始年度: 平成24(2012)年度
• 研究終了予定年度: 平成26(2014)年度
• 研究費: 31,115,000円
• 研究者交替、所属機関変更: -

研究報告書（概要版）

研究目的

新規医療機器開発を加速させる規制整備の一環として、循環器医療機器の重要特性である血液接触において問題となっている血液凝固、血栓形成をin vitroで評価する簡易スクリーニング法の開発を目的とし、材料/細胞界面特性の支配因子（水和状態、イオン、蛋白質挙動）、材料との相互作用による細胞の分子レベルの挙動等に着目して検討を行った。また、歯科分野では歯科用インプラントの疲労試験におけるワーストケースの選定の考え方について、科学的な根拠に基づく学術的な研究による承認審査基準の解釈の統一を目指した検討を行った。

研究方法

血管ステント用金属材料のほか、新たに合成した高分子材料のランダム共重合体に吸着するヒト血漿蛋白質を試料として、LC-MS/MS (Q-Exactive/Advance Nano UPLC)を用いて網羅的比較定量解析を行った。各種高分子材料及びそのランダム共重合体をコーティングしたQCMセンサーとALB、FIB、FINC及びVTNCとの相互作用を緩和法により測定し、結合速度定数、解離速度定数、結合定数及び解離定数を算出した。PP-low bindチューブ中で各種高分子材料のランダム共重合体を浸漬したヘパリン加ヒト血液に浸漬し、SC5b-9、β-TG及びTAT蛋白質量を市販ELISAにより測定した。各種高分子材料のランダム共重合体等の材料上で血管内皮細胞及びTHP-1細胞を培養し、遺伝子及び蛋白質発現挙動等を解析した。主な解析ソフトウェアとしてMaterials Studioを利用し、エネルギーを最小化したMEA 50量体構造に水分子を25～100個配置させ、水分子の酸素原子のへの吸着エネルギーを計算した。ポリマーブラシ表面の構造及び特性はX線光電子分光装置等により解析し、水和構造はNMRを用いて評価し、材料間及び蛋白質との相互作用はAFMフォースカーブにより解析した。新規ポリマーを合成し、中間水量及び抗血栓性をそれぞれDSC法及びヒト血小板粘着試験により評価した。歯科インプラントの疲労試験のワーストケース設定等の考え方に関して問題と考えられる事項を把握し、明確な科学的根拠に基づいて討議した。疲労試験におけるワーストケースの設定について、FEMを用いた解析を行った。

結果と考察

材料表面への静的及び動的蛋白質吸着挙動を指標とした評価法、材料との接触に伴う血液中のTAT及びβ-TG変動に基づく評価法、並びにTHP-1細胞のCD54発現量・IL-8産生量を指標とした評価は、医用材料の血液適合性を予測・評価する新たなin vitro試験として利用できることが示唆された。血液適合性と密接に関与する中間水の存在の有無は、材料表面近傍の水和状態に着目した分子動力学シミュレーションにより予測できる可能性が示された。高分子材料に対する蛋白質吸着の抑制には蛋白質の離脱時に分子間相互作用を誘起しない表面を設計することが重要であることが判明し、高分子の医用材料の中間水と抗血栓性はその一次構造を最適化することにより制御できることが明らかになった。歯科用インプラントにおける疲労試験のワーストケースの選定の基本的な考えについて、インプラント形状における長さ、径、アングルの有無、嵌合機構の形状に関して審査基準に関する考え方を取り入れ、ワーストケース選定のためのフローチャート案を取りまとめて提案した。

結論

プロテオミクス解析を用いた血液適合性評価マーカの探索に関する研究、蛋白質吸着の動力学的解析に関する研究、並びに細胞内蛋白質発現挙動を用いた評価法の開発に関する研究において選定されたマーカ蛋白質は、医用材料の血液適合性を評価するための新たな指標となることが明らかになった。また、既存試験法において、TAT及びβ-TGが血液適合性評価マーカとして利用できることが明らかになった。分子シミュレーションを用いた材料表面の水和状態の解析に関する研究において得られた成果は、医用材料の開発研究を新たなステージに導くうえで大きな意義を持つと考えられる。新規材料の物理化学的特性評価に関する研究、並びに中間水コンセプトによる新規生体適合性高分子の合成に関する研究においては、医用材料の水和状態のほか、蛋白質との静電的及び疎水的相互作用が血液適合性と密接に関連することが明確に示された。歯科用インプラントに関する研究において取りまとめた「課題解決に向けた提言」は、申請資料作成の効率化、審査の迅速化、国内歯科産業振興への波及効果等への寄与が期待される。

公開日・更新日

• 公開日: 2018-06-21
• 更新日: -

文献情報

• 文献番号: 201427023B
• 報告書区分: 総合
• 研究課題名: 革新的医療機器開発を加速する規制環境整備に関する研究
• 課題番号: H24-医薬-指定-018
• 研究年度: 平成26(2014)年度
• 研究代表者(所属機関): 新見 伸吾(国立医薬品食品衛生研究所 医療機器部)

研究分担者(所属機関)

• 蓜島　由二(国立医薬品食品衛生研究所　医療機器部 )
• 宮島　敦子(国立医薬品食品衛生研究所　医療機器部 )
• 澤田　留美(国立医薬品食品衛生研究所　医療機器部 )
• 加藤　玲子(国立医薬品食品衛生研究所　医療機器部 )
• 河上　強志(国立医薬品食品衛生研究所　医療機器部 )
• 植松　美幸(国立医薬品食品衛生研究所　医療機器部 )
• 石原　一彦(東京大学大学院　工学系研究科　マテリアル工学専攻)
• 佐々木　啓一(東北大学大学院　歯学研究科　歯科インプラント学)
• 田中　賢(山形大学大学院　理工学研究科　バイオ化学工学専攻)

• 研究区分: 厚生労働科学研究費補助金 健康安全確保総合研究分野 【補助金】 医薬品・医療機器等レギュラトリーサイエンス総合研究
• 研究開始年度: 平成24(2012)年度
• 研究終了予定年度: 平成26(2014)年度
• 研究者交替、所属機関変更: -

研究報告書（概要版）

研究目的

新規医療機器開発を加速させる規制整備の一環として、循環器医療機器の重要特性である血液接触において問題となっている血液凝固、血栓形成をin vitroで評価する簡易スクリーニング法の開発を目的とし、材料/細胞界面特性の支配因子（水和状態、イオン、蛋白質挙動）、材料との相互作用による細胞の分子レベルの挙動等に着目して検討を行った。また、歯科分野では歯科用インプラントの疲労試験におけるワーストケースの選定の考え方について、科学的な根拠に基づく学術的な研究による承認審査基準の解釈の統一を目指した検討を行った。

研究方法

新規材料の物理化学的特性について、ポリマーブラシと蛋白質及び官能基との相互作用をAFMフォースカーブ測定により解析した。血液適合性評価マーカの探索について、定量用標準ペプチドを化学合成し、血液適合性の異なる23種類の高分子材料に吸着するヒト血漿蛋白質を試料として、LC-MS/MSを用いて各候補蛋白質の絶対定量を行った。蛋白質吸着の動力学的解析について、各種高分子材料のランダム共重合体をコーティングしたQCMセンサーと種々の濃度のALB、FIB及びFINCとの相互作用を緩和法により測定し、結合速度定数、解離速度定数、結合定数及び解離定数を算出した。分子シミュレーションを用いた材料表面の水和状態について、主な解析ソフトウェアとしてMaterials Studioを利用し、メトキシ基周辺に存在する水分子の個数とメトキシ基からの距離に応じた水分子の動きを計算した。既存試験法の予備的検証実験として、ISO/WD 10993-4（血液適合性試験）に掲げられている試験項目の妥当性評価を兼ねて、PPチューブ中で各種高分子材料のランダム共重合体材料を浸漬した用時調製ヘパリン加ヒト血液の補体、血小板及び血液凝固系活性を市販ELISAにより測定した。細胞挙動について、各種高分子材料のランダム共重合体等の材料上でhMSC、THP-1細胞あるいは血管内皮細胞を培養し、細胞内の遺伝子及び蛋白質発現挙動を解析した。歯科用インプラントについて、歯科インプラントの機械的強度に係るワーストケース設定の根拠やインプラント表面処理方法等の考え方について国際的な動向を踏まえて討議した。

結果と考察

材料表面への静的及び動的蛋白質吸着挙動を指標とした評価法、材料との接触に伴う血液中のTAT及びβ-TG変動に基づく評価法、並びにTHP-1細胞のCD54発現量・IL-8産生量を指標とした評価は、医用材料の血液適合性を予測・評価する新たなin vitro試験として利用できることが示唆された。血液適合性と密接に関与する中間水の存在の有無は、材料表面近傍の水和状態に着目した分子動力学シミュレーションにより予測できる可能性が示された。高分子材料に対する蛋白質吸着の抑制には蛋白質の離脱時に分子間相互作用を誘起しない表面を設計することが重要であることが判明し、高分子の医用材料の中間水と抗血栓性はその一次構造を最適化することにより制御できることが明らかになった。歯科用インプラントにおける疲労試験のワーストケースの選定の基本的な考えについて、インプラント形状における長さ、径、アングルの有無、嵌合機構の形状に関して審査基準に関する考え方を取り入れ、ワーストケース選定のためのフローチャート案を取りまとめて提案した。

結論

プロテオミクス解析を用いた血液適合性評価マーカの探索に関する研究、蛋白質吸着の動力学的解析に関する研究、並びに細胞内蛋白質発現挙動を用いた評価法の開発に関する研究において選定されたマーカ蛋白質は、医用材料の血液適合性を評価するための新たな指標となることが明らかになった。また、既存試験法において、TAT及びβ-TGが血液適合性評価マーカとして利用できることが明らかになった。分子シミュレーションを用いた材料表面の水和状態の解析に関する研究において得られた成果は、医用材料の開発研究を新たなステージに導くうえで大きな意義を持つと考えられる。新規材料の物理化学的特性評価に関する研究、並びに中間水コンセプトによる新規生体適合性高分子の合成に関する研究においては、医用材料の水和状態のほか、蛋白質との静電的及び疎水的相互作用が血液適合性と密接に関連することが明確に示された。歯科用インプラントに関する研究において取りまとめた「課題解決に向けた提言」は、申請資料作成の効率化、審査の迅速化、国内歯科産業振興への波及効果等への寄与が期待される。

公開日・更新日

• 公開日: 2018-06-21
• 更新日: -

行政効果報告

• 文献番号: 201427023C

成果

• 専門的・学術的観点からの成果: 本研究の成果は、平成27年度日本医療研究鵜飼発機構研究費/医薬品等規制調和・評価研究事業「革新的医療機器で用いられる医療材料の生体への安全性等の評価方法等に関する研究」に引き継がれた。血液適合性評価マーカの選定にあたっては、従来法である開放系条件下における試験のほか、実臨床を模した拍動循環閉鎖系血液回路を利用した試験を行うことにより、評価法の質的向上を行っている。また歯科分野における緊急課題となっている歯科インプラントの疲労試験については、国際標準に整合する審査基準等、審査の考え方を再構築した。
• 臨床的観点からの成果: 循環器系医療機器は使用頻度が多く、長期間にわたって血液凝固や血栓形成等を起こさないことが要求される。我々が開発を進めている医用材料の血液適合性を予測・評価する新たなin vitro試験法は、医療機器の開発段階における材料選択や血液適合性に優れた製品開発に大きく寄与し、臨床使用時に発生する血液凝固や血栓形成等の有害事象の回避に貢献することが期待される。歯科インプラントの疲労試験に係る審査基準は、より良い製品開発に直結し、臨床使用時の耐久性不足に由来する不具合を回避するうえで有益である。
• ガイドライン等の開発: 医用材料の血液適合性を予測・評価する新たなin vitro試験法の開発に関する研究の成果は、ラウンドロビンテストを通じて、当該試験法の不偏性・頑健性を検証した後、医療機器の生物学的安全性試験法ガイダンスに反映させる。また、本研究において得られた知見に基づいて、ISO 10993-4.2（血液適合性試験）の改訂作業を支援する。また、歯科インプラントの疲労試験のワーストケースの選定に係る審査基準を策定した。
• その他行政的観点からの成果: 医用材料の血液適合性を予測・評価する新たなin vitro試験法を医療機器開発における非臨床試験に応用することにより、動物実験の削減や薬事審査における妥当性評価の向上及び審査期間の短縮等に繋がることが期待される。また、今後策定する歯科インプラントの疲労試験に係る審査ガイドラインも、製品の品質向上や薬事審査の迅速化等に大きく寄与し、より安全性に優れた製品を患者へ届けることに繋がることが期待される。
• その他のインパクト: 医用材料の血液適合性を予測・評価する新たなin vitro試験法の開発に関する研究の成果は、優れた血液適合性を有する医用材料を開発又は選定するうえで、企業にとっても非常に有益な情報となる。また、歯科インプラントの疲労試験におけるワーストケースの選定に関する審査基準は企業にとっても有益な情報であり、耐久性を有する歯科インプラントの開発に大きく貢献することが期待される。

発表件数

• 原著論文（和文）: 2件
• 原著論文（英文等）: 25件
• その他論文(和文): 13件
• その他論文(英文等): 28件
• 学会発表(国内学会): 240件
• 学会発表(国際学会等): 41件
• その他成果(特許の出願): 0件
• その他成果(特許の取得): 0件
• その他成果(施策への反映): 0件
• その他成果(普及・啓発活動): 0件

主な原著論文20編（論文に厚生労働科学研究費の補助を受けたことが明記された論文に限る）

• 原著論文1: Iwasaki Y, Ishihara K.; Cell membrane-inspired phospholipid polymers for developing medical devices with excellent biointerfaces.; Sci. Technol. Adv. Mater. , 13 (2012); 064101
• 原著論文2: Inoue K, Inoue Y, Ishihara K.; Effects of dynamics of water molecules at hydrophilic polymer brush surfaces on protein adsorption behavior.; Trans. Mater. Res. Soc. Jpn. , 37 , 333-336 (2012)
• 原著論文3: Sawada R, Kono K, Isama K, et al.; Calcium-incorporated titanium surfaces influence the osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells.; J Biomed Mater Res A. , 101 , 2573-2585 (2013)
• 原著論文4: Sakata S, Inoue Y, Ishihara K.; Quantitative evaluation of interaction force between functional groups in protein and polymer brush surfaces.; Langmuir. , 30 , 2745-2751 (2014)
• 原著論文5: Ikai H, Odashima Y, Kanno T,et al.; In vitro evaluation of the risk of inducing bacterial resistance to disinfection treatment with photolysis of hydrogen peroxide.; PLoS One. , 8 (2013); e81316
• 原著論文6: Sakata S, Inoue Y, Ishihara K.; Molecular interaction forces generated during protein adsorption to well-defined polymer brush surfaces.; Langmuir. , 31 , 3108-3114 (2015)
• 原著論文7: Sakata S, Inoue Y, Ishihara Y.; Nano-scale molecular interaction force measurement for analysis of protein adsorption on the surfaces.; Trans. Mater. Res. Soc. Jpn. , 39 , 185-188 (2014)
• 原著論文8: Hoshiba T., et al.; Promotion of adipogenesis of 3T3-L1 cells on protein adsorption-suppressing poly (2-methoxyethyl acrylate) analogous polymers.; Biomacromolecules , 17 , 3808-3815 (2016)
• 原著論文9: Murakami D., et al.; Interfacial Structures and Fibrinogen Adsorption atBlood-Compatible Polymer/Water Interfaces.; ACS Biomaterials Science & Engineering , 2 , 2122-2126 (2016)
• 原著論文10: Osawa K., et al.; Synthesis of Sequence-Specific Polymers with Amide Side-chains via Regio-/stereoselective Ring-opening Metathesis Polymerization of 3-Substituted cis-Cycloocte.; Macromolecules , 49 , 8154-8161 (2016)
• 原著論文11: Hoshiba T., et al.; Adhesion-Based Simple Capture and Recovery of Circulating Tumor Cells Using a Blood-Compatible and Thermo-Responsive Polymer-Coated Substrate.; RSC Advances , 6 , 89103-89112 (2016)
• 原著論文12: Kong K., et al.; In vitro endothelialization test of biomaterials using immortalized endothelial cells.; PLoS One , 11 (6) (2016); e01582898
• 原著論文13: Kobayashi S., et al.; Regioselective Ring-Opening Metathesis Polymerization of 3-Substituted Cyclooctenes with Ether Side-Chains.; Macromolecules , 49 (7) , 2493-2501 (2016)
• 原著論文14: Sato C., et al.; Blood-compatible poly(2-methoxyethyl acrylate) for the adhesion and proliferation of endothelial and smooth muscle cells.; Colloids and Surfaces B: Biointerfaces , 145 , 589-596 (2016)
• 原著論文15: Sakata S., et al.; Direct interaction force and adsorption behavior of fibrinogen on well-characterized polymer brush surfaces.; Trans Mat Res Soc Japan , 41 (1) , 51-54 (2016)
• 原著論文16: Inoue Y., et al.; Preparation of a thick polymer brush layer composed of poly(2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine) by surface-initiated atom transfer radical polymerization and analysis of protein adsorption resistance.; Colloids Surf B Biointerfaces , 141 , 507-512 (2016)
• 原著論文17: Sakata S., et al.; Precise control of surface electrostatic forces on polymer brush layers with opposite charges for resistance to protein adsorption.; Biomaterials , 105 , 102-108 (2016)
• 原著論文18: Hoshiba T., et al.; Regulation of the contribution of integrin to cell attachment on poly(2- methoxyethyl acrylate) (PMEA) analogous polymers for attachment- based cell enrichment.; PLoS One , 10 (2015); e0136066
• 原著論文19: Hoshiba T., et al.; Blood compatible polymer for hepato- cyte culture with high hepatocyte- specific functions toward bioartificial liver development.; ACS Appl. Mater. Interfaces , 7 , 10896-18103 (2015)
• 原著論文20: Sato K., et al.; The relationship between water structure and blood compatibility in poly(2- methoxyethyl acrylate) (PMEA) analogues.; Macromol. Biosci , 15 , 1296-1303 (2015)

公開日・更新日

• 公開日: 2017-05-24
• 更新日: 2018-06-11

収支報告書

• 文献番号: 201427023Z
• 報告年月日: 2016年06月08日

収入

• (1)補助金交付額: 31,115,000円
• (2)補助金確定額: 31,093,000円
• 差引額 [(1)-(2)]: 22,000円

支出

研究費 (内訳)	直接研究費	物品費	25,865,385円
		人件費・謝金	96,525円
		旅費	2,194,626円
		その他	2,937,296円
	間接経費		0円
	合計		31,093,832円

備考

• 備考: -

公開日・更新日

• 公開日: 2018-06-21
• 更新日: -