感染リスクの高い骨欠損の修復のための 3D プリント多孔質足場

この投稿は、Little Soft Bear によって 2017-6-7 17:05 に最後に編集されました。

整形外科の臨床診療では、大きな骨欠損には汚染された創傷や開放創が伴うことが多く、感染のリスクが高くなります。埋め込まれた材料は、ある程度、細菌が付着して増殖するためのキャリアまたは微小環境も作り出します。細菌は表面にバイオフィルムを形成する可能性があり、バイオフィルムの形成は感染発生の重要な要因です。最近、上海交通大学医学部付属第九人民病院整形外科の唐婷婷教授のチームは、3Dプリント技術を使用して、ポリ乳酸グリコール酸共重合体/ヒドロキシアパタイト（PLGA/HA）複合多孔質バイオスキャフォールドと、その表面にグラフトされたキトサン第四級アンモニウム塩（HACC）を作製しました。in vitroおよびin vivoの研究により、この人工骨組織修復スキャフォールドは、優れた骨形成能を持つだけでなく、優れた抗菌活性も持つことが示されました。現在の骨欠損修復材料や技術のほとんどは、無菌環境での骨修復にのみ焦点を当てているため、抗菌性を備えたこの人工骨組織置換材料は、感染リスクの高い臨床骨欠損や感染性骨欠損の予防と治療において重要な応用価値を持っています。

整形外科の臨床診療では、大きな骨欠損には汚染された創傷や開放創が伴うことが多く、感染のリスクが高くなります。埋め込まれた材料は、ある程度、細菌が付着して増殖するためのキャリアまたは微小環境も作り出します。細菌は表面にバイオフィルムを形成する可能性があり、バイオフィルムの形成は感染発生の重要な要因です。最近、上海交通大学医学部付属第九人民病院整形外科の唐婷婷教授のチームは、3Dプリント技術を使用して、ポリ乳酸グリコール酸共重合体/ヒドロキシアパタイト（PLGA/HA）複合多孔質バイオスキャフォールドと、その表面にグラフトされたキトサン第四級アンモニウム塩（HACC）を作製しました。in vitroおよびin vivoの研究により、この人工骨組織修復スキャフォールドは、優れた骨形成能を持つだけでなく、優れた抗菌活性も持つことが示されました。

現在の骨欠損修復材料や技術のほとんどは、無菌環境での骨修復にのみ焦点を当てているため、抗菌性を備えたこの人工骨組織置換材料は、感染リスクの高い臨床骨欠損や感染性骨欠損の予防と治療において重要な応用価値を持っています。

図1に示すように、研究者らはまず3Dプリント技術を使用して多孔質の3次元PLGA/HAスキャフォールドを作製し、その後、研究チームが初期段階で開発した顕著な抗菌活性を持つHACCを複合スキャフォールド材料に共有結合的にグラフトしました。 3Dプリントされたスキャフォールドの多孔度は約80％、細孔の連結性は100％に近く、細孔サイズは約320μmです（図2）。スキャフォールド材料が分解するにつれて、グラフトされたHACCはゆっくりと放出されます。模擬体液に4週間浸漬した後、HACCの総持続放出量は、初期負荷量の約70％に相当します。

次に研究者らは、印刷した足場材料を 4 つのグループ (P: 純粋な PLGA、P/HA: PLGA-HA、P/H: PLGA-HACC、P/HA/H: PLGA-HA-HACC) に分け、in vitro 細菌学的および細胞学的テストを実施しました。まず、黄色ブドウ球菌とその耐性菌株を接種し、死菌/生菌を染色したところ、HACCグラフトスキャフォールド（P/HおよびP/HA/H）が細菌の早期付着とバイオフィルム形成を著しく阻害できることがわかりました（図3）。

研究者らはさらに、各グループのスキャフォールドの表面におけるヒト骨髄間葉系幹細胞（hBMSC）の接着、増殖、骨格の拡散、アポトーシスを観察した。実験結果によると、ハイドロキシアパタイトを添加した足場材料（P/HA および P/HA/H グループ）は細胞適合性が良好で、幹細胞は表面上でよりよく広がり、増殖することが示されました。骨形成分化試験では、ハイドロキシアパタイトを含む 2 つのグループのスキャフォールド材料がより顕著な骨形成活性を示し、スキャフォールド表面に移植された HACC はスキャフォールドの骨形成特性に悪影響を及ぼさないことが示されました (図 4)。

同時に、研究者らは、生物発光性黄色ブドウ球菌を用いて動物皮下感染モデルを確立し、各群のステント表面に負荷された細菌の増殖を生体内でリアルタイムかつ継続的に観察しました。その結果、HACCをステント表面に移植した後、皮下インプラント感染の進行を効果的に抑制でき、生体内で良好な抗菌活性を発揮できることが分かりました（図5）。さらに組織学的分析を行ったところ、HACC を移植したスキャフォールドの細孔内の化膿性病変、炎症性細胞浸潤、炎症性線維症、細菌残留物が他の 2 つのグループよりも大幅に少ないことが示され、HACC を充填した複合多孔質スキャフォールドが体内で効果的に抗菌特性を発揮できることが示されました。

まとめると、本研究で作製した複合スキャフォールドは、細菌の付着とバイオフィルムの形成を著しく抑制し、感染の発生と進行を効果的に防ぐことができる。同時に、幹細胞の付着、増殖、骨格の広がり、骨形成の分化を促進し、細胞と組織の適合性も良好である。研究チームは最近、感染リスクの高い原位置骨欠損修復の動物モデルに関する研究も完了し、この抗菌性足場がラットの大腿骨の感染した骨欠損の修復を促進できることを確認しました。

著者：ヤン・イン、協力者には華東科技大学のチャン・ホンボ教授、香港中文大学のチン・リン教授、スイスAO研究所のジェフ・リチャード教授およびその他のチームが含まれます。
出典: Orthopedics Online

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