アプリケーションノート | ElastoSens™ Bio
ElastoSens™ Bioを用いた皮膚の機械的特性の測定
はじめに
皮膚は、人体最大の器官であるだけでなく、環境ストレスから体を守り、水分バランスを調節し、感覚知覚に関与する、動的な機械的バリアでもあります。 その機能は、コラーゲン、エラスチン、その他の真皮成分の構造的組織に大きく依存しており、これらが一体となって、弾性、剛性、粘弾性といった独自の力学的挙動を生み出しています。 これらの特性を測定することで、伸張や圧縮からせん断に至るまで、日常生活における力に対して皮膚がどのように反応するかを解明することができます。これらを研究することで、科学者や臨床医は、健康な皮膚の機能をより深く理解し、疾患の初期兆候を検出し、皮膚の機能を回復または維持するための治療法を考案することが可能になります。
皮膚の主な機械的特性
弾性
弾力性とは、皮膚が変形した後、元の形状に戻る能力のことです。これは主に弾性繊維のネットワークによって規定されており、このネットワークのおかげで、皮膚は伸張や吸引による負荷を受けた後に元に戻ることができます。臨床研究によると、弾力性は加齢とともに著しく低下し、皮膚のハリや見た目に影響を及ぼすことが示されています。
剛性
剛性とは、皮膚が負荷を受けた際に変形にどれほど抵抗するかを表す指標である。これは真皮内のコラーゲンの配列に強く影響を受け、解剖学的部位や年齢も重要な決定要因となる。研究によると、網状真皮のような深層は、一般的に表層の乳頭層よりも剛性が高く、また、剛性は加齢とともに徐々に低下することが示されている。
粘弾性
皮膚は、外力がかかると粘性と弾性の両方の反応を示します。つまり、変形の一部は即座に元に戻る一方、別の部分は時間の経過とともにゆっくりと元に戻ります。この粘弾性挙動は、コラーゲン、エラスチン、および細胞外マトリックスの相互作用を反映しており、皮膚が継続的または反復的な機械的負荷に耐える能力にとって不可欠です。
異方性
皮膚の機械的反応は、加わる力の方向によって変化しますが、この性質は「異方性」として知られています。この方向依存性は、コラーゲン線維の配向（例えば、ランゲル線に沿った配向など）と関連しており、身体の各部位において、皮膚がどのように伸展したり、引き裂きに抵抗したりするかに影響を与えます。
疾患と皮膚の機械的特性との関係
全身性強皮症
全身性強皮症では、過剰なコラーゲンの沈着や線維化により、皮膚の硬さが著しく増し、弾力性が低下します。弾力性の低下や硬度の増加といった機械的パラメータを測定することは、疾患の進行や治療成績を評価する上で役立ちます。
モルフェアおよび限局性強皮症
モルフェアのような限局性の線維性疾患は、皮膚の硬さや厚さに変化をもたらします。機械的測定法、特に吸引法や圧痕法を用いることで、こうした変化を定量的に評価することができ、診断および治療経過のモニタリングに役立ちます。
光老化
紫外線への慢性的な曝露は、コラーゲンや弾性繊維の分解を促進し、その結果、弾力性の低下や弛みの増加につながります。機械的測定によると、光老化を受けた皮膚は変形後の回復力が低下しており、これがしわやたるみといった臨床的な外観の原因となっています。
火傷による瘢痕と線維化
火傷後の瘢痕組織や線維化によるリモデリングは、皮膚の粘弾性特性を著しく変化させ、多くの場合、過度な硬さとコンプライアンスの低下をもたらす。これらの特性を客観的に測定することは、瘢痕の成熟過程を追跡し、治療的介入を評価するために、ますます広く用いられている。
皮膚組織の力学的特性の評価方法
生体内技術（臨床）
臨床現場では、皮膚の機械的特性は通常、吸引試験、圧痕試験、またはねじり荷重試験などの非侵襲的な手法を用いて評価されます。これらの手法では、皮膚表面に直接穏やかな機械的力を加え、組織がどのように変形し、元に戻るかを追跡します。 患者に対して安全かつ迅速に実施できるため、加齢、疾患、あるいは治療反応に関連する弾力性、ハリ、および粘弾性を評価するために広く利用されています。これらの手法の価値は、皮膚の「感触」を客観的なデータに変換する、標準化され再現性のある測定値を提供することにあり、皮膚科学、形成外科、および化粧品科学を支えています。
エク・ヴィヴォ法（研究）
研究の場では、切除した皮膚サンプルの機械的試験を行うことで、組織の構造的挙動をより深く解明することができます。引張試験では、皮膚が破断するまで伸張させ、応力-ひずみ関係を明らかにすることができます。圧痕試験では局所的な剛性を調べることができ、ねじり試験ではねじれに対する抵抗力を評価でき、レオロジー的手法では粘弾性特性を捉えることができます。 試料を層ごとに詳細に解析できるため、研究者はコラーゲンやエラスチンのネットワークといった構造的特徴と、皮膚の巨視的な機械的性能とを関連付けることができます。 これらのエク・ヴィヴォ法は、イン・ヴィヴォでは得られない皮膚の生体力学に関する詳細な知見を提供し、再生医療、生体材料の設計、加齢や病理的な変化を対象とした治療法の開発といった分野の進展に貢献しています。
事例研究：ElastoSens™ Bioを用いた皮膚組織の力学的特性評価
ElastoSens™ Bio：生体外組織試験のための非接触型ツール
皮膚の生体力学の分野において、 ElastoSens™ Bio 本装置は、ex vivo試験のための先進的な手法を提供します。本装置は、皮膚の粘弾性特性を連続的かつ非破壊的に測定し、実験全体を通じて試料の完全性を維持します。その技術により、軟組織の精密な特性評価が可能となり、制御された環境条件下での経時的な反復測定をサポートすることで、従来の機械的アッセイが提供する情報を補完・拡張します。
ElastoSens™ Bioの可能性を実証するため、皮膚サンプルを用いたex vivo試験を実施しました。以下のセクションでは、この実験で使用した材料と方法を紹介し、続いて結果を示します。これにより、本装置の応用例を具体的に紹介します。
材料と方法
羊と牛の皮は、地元の農場から新鮮な状態で入手した。サンプルは、皮下組織を除いた表皮および真皮に相当する厚さ約1.8 mmになるようトリミングし、ElastoSens™ Bio膜ホルダーにセットできるよう円形のパンチで切り抜いた（図1）。 乾燥を防ぐため、試験前に試料をリン酸緩衝生理食塩水（PBS）に浸し、4 °Cで一晩放置した。その後、各試料を25 °CのElastoSens™ Bio装置内に1時間置き、平衡状態にした。測定前に、余分なPBSを丁寧に除去した。
この装置は、せん断貯蔵弾性率（G′）やせん断損失弾性率（G″）などの粘弾性パラメータをリアルタイムで測定した。各条件について、結果は同一の皮膚層の異なる部位から採取した3つのサンプルから得られた平均値として示された（n = 3）。
図1. 羊および牛の皮膚組織を調製し、非破壊的な粘弾性特性評価を行うためにElastoSens™ Bio膜ホルダーにセットした。上の図は切片作成前の無傷の皮膚サンプルを示し、下の図は試験のためにホルダーに固定された代表的な皮膚部分を示している。
結果と考察
ElastoSens™ Bio試験システムを用いて、ヒツジおよびウシの皮の粘弾性特性を評価した（図2）。 羊の皮については、せん断貯蔵弾性率（G′）の平均値は 6.11 ± 1.62 kPa（n = 3）であったのに対し、牛の皮では 4.92 ± 0.24 kPa（n = 3）と、わずかに低い値が得られた。 Manan ら (2015) は、臀部の屈曲部から採取した牛の皮膚 （厚さ約3 mm、表皮＋真皮、皮下組織を除去）を単軸引張試験で測定し、平均ヤング率を12.57 MPaと報告しており、これは約94 kPaの小ひずみせん断弾性率に相当する。
当社の測定値と、前述の参考文献で報告されている測定値との間に差異が見られるのは、変形モード（引張対せん断）、ひずみレベル、温度、試験時間といった試験技術や条件の相違に加え、試料の調製方法や測定方向の違いに起因すると考えられます。 全体として、ElastoSens™ Bioは、組織の順応性のある応答を捉え、その構造を保持する条件である、小ひずみ振動せん断下で水分を含んだ試料を評価します。したがって、このkPaオーダーの弾性率は、保護および荷重支持のバリアとしての本来の役割を担う皮膚を、生理学的に適切な形で表しています。
図2：ヒツジおよびウシの皮膚組織の粘弾性特性：ElastoSens™ Bio非破壊検査システムを用いて測定したせん断貯蔵弾性率（G′）（平均 ± 標準偏差、n=3）。
結論と展望
皮膚組織の力学的特性――弾性、粘弾性、および構造的異方性によって定義される――は、保護、バリア機能、感覚知覚における皮膚の生理的役割を理解する上で極めて重要です。 ElastoSens™ Bioを用いた非破壊的な粘弾性試験により、せん断貯蔵弾性率（G′）やせん断損失弾性率（G″）といった主要なパラメータを測定し、皮膚の力学特性を信頼性高く定量化することができます。 このアプローチにより、正確かつ再現性の高いデータが得られ、生物医学研究およびトランスレーショナル皮膚科学研究の両方にとって、確固たる基礎データを提供します。これらの知見に加え、ElastoSens™ Bioは皮膚および軟部組織の研究において、次のような独自の利点をもたらします：
- 簡単な準備とセットアップにより、水分保持と構造的完全性を維持しつつ、取り扱いの手間を最小限に抑えます。
- 高い感度と再現性により、異なる解剖学的部位にわたって一貫した測定が可能となり、部位ごとの変動を捉えることができます。
- 種を超えたベンチマークは、動物モデルとヒトの皮膚の力学特性を直接比較することで、トランスレーショナルリサーチの推進に寄与する。
- このプラットフォームの汎用性により、同一条件下で多様な軟組織や生体材料の試験が可能となり、皮膚代替材、スキャフォールド、あるいは創傷治癒用材料の開発に有用です。
- 制御された培養環境下での培養と繰り返し試験を行うことで、経時的な粘弾性の変化を、それが経年変化、紫外線曝露、薬理学的処置、あるいは病理学的状態によるものであるかに関わらず、モニタリングすることが可能となる。
- 人工組織の応用においても、生体工学的に作製された皮膚構造体の動的な変化を反映する、非破壊的で反復可能な測定が有益である。
これらの機能を総合すると、ElastoSens™ Bioは、皮膚の生体力学に関する理解を深め、比較生理学の研究を支援し、皮膚機能を回復または向上させることを目的とした生体材料や治療法の設計を導くための強力なツールとしての地位を確立しています。
参考文献
Kalra, A., Lowe, A., & Al-Jumaily, A. M. (2016). Mechanical behaviour of skin: a review. J. Mater. Sci. Eng, 5(4), 1000254.
Lynch, B., Pageon, H., Le Blay, H., Brizion, S., Bastien, P., Bornschlögl, T., & Domanov, Y. (2022). A mechanistic view on the aging human skin through ex vivo layer-by-layer analysis of mechanics and microstructure of facial and mammary dermis. Scientific reports, 12(1), 849.
Junker, H. J., Thumm, B., Halvachizadeh, S., & Mazza, E. (2023). A quantitative comparison of devices for in vivo biomechanical characterization of human skin. Mechanics of soft materials, 5(1), 5.
Luebberding, S., Krueger, N., & Kerscher, M. (2014). Mechanical properties of human skin in vivo: a comparative evaluation in 300 men and women. Skin Research and Technology, 20(2), 127-135.
Manan, N. F. A., Mahmud, J., & Jumahat, A. (2015). Biomechanical behaviour of bovine skin: An experiment-theory integration and finite element simulation. Jurnal Teknologi, 76(10), 103–111.
当社の技術が、微小な量の試料を用いて、軟らかい生体材料や組織の粘弾性特性を非破壊的に測定する仕組みをご覧ください。
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創傷治癒過程によって生じる瘢痕は、周囲の組織と比較して粘弾性に違いが見られます。皮膚の瘢痕は主に審美性に影響を与えるのに対し、内部組織や臓器の瘢痕はその機能に影響を及ぼす可能性があります。 例えば、心筋梗塞後の心筋における瘢痕形成は、筋力の低下や心不全を引き起こす可能性があります。粘弾性挙動は身体のあらゆる構成要素に固有のものであり、その生理機能において重要な役割を果たしていることに留意することが重要です。 細胞、組織、臓器は、機械的な力が加わると、粘性（流体のような）応答と弾性（固体のような）応答の両方を示します。この粘弾性応答により、力が加わると変形し、力が取り除かれると徐々に元の状態に戻ることが可能になります。
腸は消化管の中でも高度に特殊化した部位であり、栄養素の吸収、体液バランス、およびマイクロバイオームとの継続的な相互作用を担っています。その機能は、生化学的活動だけでなく、腸壁の力学的特性にも依存しており、この特性によって腸の拡張・収縮や管腔内容物の輸送の仕方が決まります。 腸壁は、粘膜、粘膜下層、筋層、漿膜からなる多層構造であり、各層は弾性、コンプライアンス、異方性といった異なる機械的挙動をもたらしている。