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平成23年9月28日

科学技術振興機構(JST)
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東京医科歯科大学
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体外設置型の磁気浮上遠心式補助人工心臓を実用化するベンチャー企業設立

(JST大学発ベンチャー創出推進の研究開発成果を事業展開)

JST(理事長 北澤 宏一)は産学連携事業の一環として、大学・公的研究機関などの研究成果をもとにした起業のための研究開発を推進しています。

平成20年度より東京医科歯科大学に委託していた研究開発課題「ディスポ式、磁気浮上遠心血液ポンプの研究開発」(開発代表者:高谷 節雄 東京医科歯科大学 教授、起業家:永谷 基)では、東京工業大学との共同研究にて、独自の最先端磁気浮上技術について研究を重ね、この技術を遠心血液ポンプに適用することにより、1週間から1ヵ月間使用可能で生体適合性に優れた、ディスポ(使い捨て)式の体外設置型磁気浮上遠心血液ポンプの開発に成功しました。また、この成果をもとに平成23年8月22日(月)、研究開発メンバーらが出資して「メドテックハート株式会社」を設立しました。

現在国内で認可されている人工心臓には、(1)手術時に6時間程度の心肺機能を代行する人工心肺装置の血液ポンプや、(2)救急救命医療として1週間程度の生命維持を行い、手術などに橋渡しする経皮人工心肺(PCPS)注1)の血液ポンプ、(3)心臓移植を前提に2年以上の長期間循環を維持する植え込み式補助人工心臓注2)があります。しかし、1週間から1ヵ月の中期間の循環補助に適した、小型で生体適合性に優れた装置はありませんでした。この期間に対応した補助循環装置は、救急救命治療室に運び込まれる急性心筋梗塞などの患者への中期的な循環補助・治療を可能にし、次の治療手段の構築や選択につながるなど、ドナー不足により心臓移植が困難な重症心不全患者の生きるための福音となることが期待されます。

従来の体外式ポンプ技術では、血液を押し出す羽根車を機械式ベアリングで支持するため(図1)、ベアリングの摩耗や熱発生などが原因で起こる血球破壊や血液の凝固などにより、ポンプ内に血栓ができて、24〜48時間でポンプ交換が必要でした。そこで、本研究開発では磁気により羽根車を浮上させて摩耗を防ぐとともに、ポンプの取り外しも簡単にできる構造について試作改良を行いました。さらに血栓ができないように、血液接触面に生体適合性の優れた素材であるMPCポリマー注3)をコーティングしました。牛を用いた動物試験では、この試作血流ポンプを使い、ポンプ交換せずに60日間の連続運転に5頭で成功し、本血流ポンプの実用性と安全性を確認することができました。

本血流ポンプは、短期使用目的の機械式ベアリングの血液ポンプが持つ欠点を改善して、1ヵ月間の安全循環を維持できると同時に、中期間用の拍動流ポンプでは必要な弁を使わないことから、小型化や構造の単純化が可能です。人工肺と組み合わせて行う経皮人工心肺治療への応用や、最近認可された植え込み式補助人工心臓につなぐ一時的な補助ポンプ、さらには小児用補助人工心臓や透析治療への応用が考えられます。

今後、「磁気浮上遠心血液ポンプ」の技術改良と確立を進めながら技術の普及を目指し、さらには関連医療機器メーカーと連携して、国際展開を目指します。

今回の企業の設立は、以下の事業の研究開発成果によるものです。

独創的シーズ展開事業 大学発ベンチャー創出推進

研究開発課題 「ディスポ式、磁気浮上遠心血液ポンプの研究開発」
開発代表者 高谷 節雄(東京医科歯科大学 生体材料工学研究所 教授)
起業家 永谷 基
研究開発期間 平成20〜22年度

独創的シーズ展開事業 大学発ベンチャー創出推進では、大学・公的研究機関などの研究成果をもとにした起業および事業展開に必要な研究開発を推進することにより、イノベーションの原動力となるような強い成長力を有する大学発ベンチャーが創出され、これを通じて大学などの研究成果の社会・経済への還元を推進することを目的としています。今回の「メドテックハート株式会社」設立により、JSTの「プレベンチャー事業」および「大学発ベンチャー創出推進」によって設立したベンチャー企業数は、累計113社となりました。本事業は、現在、「研究成果最適展開支援プログラム(A−STEP)」に発展的に再編しています。

詳細情報:http://www.jst.go.jp/a-step/

<開発の背景>

近年の生活の欧米化などに伴い、心臓移植を必要とする重症心不全患者が増えています。臓器の移植に関する法律が改正され、国内でも脳死臓器移植が認められるようになりましたが、ドナー不足は依然として深刻な課題であり、人工心臓への期待はますます高まる傾向にあります。この状況下、国内ですでに認可されている人工心臓には、(1)手術時に6時間程度、心肺機能を代行する人工心肺装置の血液ポンプ、(2)救急救命医療として短期間(1週間以内)生命を維持し、手術などに橋渡しする経皮人工心肺装置の血液ポンプ、(3)心臓移植を前提に長期間(日本では2年以上)循環を維持する植え込み式補助人工心臓があります。しかし、1週間から1ヵ月という中期間利用の血液ポンプは人工弁を2個用い、拍動流を発生する装置しかありません。拍動流ポンプは充填する血液量が多く、生体適合性ついても十分ではありません。1週間から1ヵ月の中期間の循環補助に適した小型で生体適合性に優れた補助循環装置があれば、救急救命治療室に運び込まれる急性心筋梗塞や急性心原性ショック、手術後の低心拍出量症候群などの慢性心疾患の中期的循環補助・治療を可能にし、次なる治療手段の構築、選択につながるなど、重症心不全患者の福音として貢献できる可能性があります。

<研究開発の内容>

開発代表者の東京医科歯科大学 高谷 節雄 教授・副学長と分担開発者の東京工業大学 進士 忠彦 教授らは、2軸(X、Y軸)制御のコンパクト磁気軸受技術(図2)と径方向磁気カプリング機構を組み合わせることで、簡単に着脱できる体外設置型、ディスポ式磁気浮上遠心血液ポンプ(図3)の研究開発を行いました。さらに、血液接触面に生体適合性に優れた素材であるMPCポリマーをコーティングすることで、血栓ができにくい安全で安価な血液ポンプを開発しました。子牛を用いた実験では、従来の機械式ベアリングを有する遠心ポンプのような血栓塞栓症による問題は一切起こらず、安全で安定した60日間の循環維持を5頭の子牛で達成しました。この間、腎臓や肝臓などの重要臓器機能は正常に維持され、血漿中の遊離ヘモグロビン量は 通常の3mg/dL以下を維持しました。60日間の実験終了後の解剖検所見では、ポンプ内に一切血栓形成を認めず、重要臓器の梗塞もありませんでした(図4)。ポンプ交換せずに最長60日間(目標とする期間の2倍)、5頭の子牛にて安全・有効な循環補助機能を確認できたことから、1ヵ月間安全に使用可能な、ディスポ式磁気浮上遠心血液ポンプ技術の実用化に目途をつけました。

本血流ポンプには、これまでのものと比較して、下記の大きな特徴があります。

<今後の事業展開>

今後は、中期間使用可能な循環補助装置として、欧米において製造販売承認を取得し、欧米での実績を積んだうえで、国内に逆輸入して販売する計画です。また、並行して経皮人工肺装置の血液ポンプとして市販されている人工肺と組み合わせることにより、簡便な経皮人工心肺装置を作成して、製造販売承認を取得することも計画しています。

また、コスト低減を目的として、使い捨て部分に永久磁石を使用しない磁石レス磁気浮上遠心血液ポンプの研究開発も進め、世界初の磁石レス磁気浮上ポンプ注4)の実現も目指します。さらに、システムの小型化を図り、新生児から小児への応用を展開することや循環系以外への応用として、透析装置の研究開発を進め、製品化を図ることも視野に入れています。

<参考図>

図1

図1 機械式ベアリングの血液ポンプと非接触式血液ポンプの構造比較

接触軸受(ピボット軸受)を用いてインペラーを支持し、Z方向の磁気カプリング力でインペラーを回転させる従来の遠心血液ポンプ(左)。機械式軸受を用いず、磁気によって回転体であるインペラーを磁気浮上させ、完全非接触の状態で回転させる磁気浮上型血液ポンプ(右)。従来の遠心血液ポンプ(左)では、軸受の摩耗、せん断力、滞留などにより、耐久性の低下、血球破壊(溶血)、血栓形成を生じるが、非接触軸受ポンプでは、それらの問題は防げる。

図2

図2 2軸(X、Y軸)制御コンパクト磁気軸受の構造図と断面図

お互いに90度の位置に配置された2個の変位センサーを用い、永久磁石と鉄リングで構成されたローターの位置を検出し、電磁石を用いてローターの位置を制御する仕組み(左)。右の図は、a)軸方向(Z方向)、b)回転方向の永久磁石の吸引力により復元する仕組みとc)X、Y方向または径方向の電磁石の吸引力により制御する仕組み。

図3

図3 ポンプヘッド部が着脱可能な本研究で開発した磁気浮上式遠心血液ポンプ

図4

図4 子牛を用いた磁気浮上遠心血液ポンプの実験風景と子牛の生存日数

(a)子牛を用いた磁気浮上遠心血液ポンプの実験風景

血液ポンプは牛の背中にモータードライバーを固定し、着脱可能なポンプヘッドに送・脱血管をつなぎ、生体内の心臓および大血管に挿入・吻合して血液の循環を行った。また、磁気浮上コントローラーやモーター回転制御装置は、後方の牛の左側にあるPCで制御した。

(b)子牛の生存日数を示す

サンプル1は、従来型の機械式ベアリングの遠心血液ポンプで本研究開発が始まった2008年に行った実験結果。機械式ベアリング部で発生する熱や血栓などにより下肢麻痺が進行し、平均生存日数は2.83±0.707日、N=6であった。サンプル2は、2009年度から本研究で開発中の磁気浮上遠心血液ポンプに切り替え、フェーズ1として2週間に限定した実験を行った結果。機械式ベアリングポンプのような下肢麻痺は一切起こらず、装置の評価を行うことが可能になった。生存日数は8.87±7.08日、N=15であった。サンプル3は、2010年度から2011年度にかけて実験期間を60日に延長して行った第2フェーズ実験。生存日数は、54.22±8.70、N=9を示し、うち5頭において実験期間の60日を満了し、安全・有効な循環補助を実現した。

図5

図5 本研究で開発した磁気浮上遠心式血液ポンプと
従来型や植え込み式補助人工心臓の性能、臨床応用範囲の比較

図6

図6 本研究で開発したディスポ式遠心血液ポンプの想定される臨床応用

<用語解説>

注1) 経皮人工心肺(PCPS:Percutaneous CarioPulmonary Support)
欧米ではECMO(Extracorporeal Membrane Oxygenation、膜型人工肺)とも呼ばれ、大腿静脈血管にカテーテルを挿入し、静脈血を体外に導き出し、体外に置かれた人工肺により血液の酸素化を行い、血液ポンプを用い大腿動脈に挿入されたカテーテルを介して、体内に酸素化された血液を送り込み、心肺機能の補助を人工的に行う装置です。
注2) 植え込み式補助人工心臓
平成23年12月に厚生労働省から製造販売承認を取得した日本発の体内植え込み式補助人工心臓は、従来の拍動流血液ポンプではなく、心臓弁を使用せず連続的に血液を送り出す連続流血液ポンプであり、女性にも植え込み可能な小型サイズです。
注3) MPCポリマー
2−Methacryloyloxyethyl PhosphorylCholinの略。MPCポリマーは、細胞膜の2重リン脂質構造を模擬し、たんぱく質などが表面に吸着しない性質を有し、血液接触面にコーティングすることで、血液中のたんぱく質などの表面への吸着を防ぎ、血栓形成を防止する働きがあります。
注4) 磁石レス磁気浮上ポンプ
通常コンパクトな磁気浮上システムでは回転体に永久磁石を内蔵し、外から電磁石で磁力を変化させて磁気浮上を実現します。永久磁石には磁束密度が高いレアーアース素材であるネオジム鉄が用いられますが、需要度や加工精度の問題があるために、本研究では永久磁石を用いず磁性軟鉄を使用しての磁気浮上化も技術課題としており、磁石内蔵型などの性能、安全性、信頼性の確認を現在進めています。

参考:<企業概要、ほか>

<本件お問い合わせ先>

東京医科歯科大学 生体材料工学研究所
〒101-0062 東京都千代田区神田駿河台2−3−10
高谷 節雄(タカタニ セツオ)
Tel:03-5280-8168 Fax:03-5280-8168
E-mail:

科学技術振興機構 イノベーション推進本部 産学連携展開部
〒102-8666 東京都千代田区四番町5番地3
下田 修(シモダ オサム)、浅野 保(アサノ タモツ)
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