多機能診断および治療インプラントを実現するアルギン酸ナトリウムエアロゲルの3Dプリント

出典: EngineeringForLife

エアロゲルは、高い多孔性と大きな表面積を持つナノ構造材料であり、組織工学の用途に最適な特性を備えています。エアロゲルは細胞外マトリックスを模倣し、細胞の接着、増殖、移動を促進することができ、組織の修復と再生にとって非常に重要です。 3D プリント技術により、エアロゲルを患者に合わせてカスタマイズできるようになり、カスタマイズされた治療計画の新たな可能性が開かれます。

この研究では、サンティアゴ・デ・コンポステーラ大学のカルロス・A・ガルシア・ゴンザレス氏のチームが、組織工学やバイオイメージングに使用できる有望な診断用インプラントとして、3DプリントされたUCNPs標識アルギン酸エアロゲルを研究しました。

1. 主な内容：

図 1 UCNPs 修飾エアロゲルの顕微鏡分析走査型電子顕微鏡 (SEM) 画像は、純粋なアルギン酸エアロゲル (Alg UCNPs 0.4、Alg UCNPs 0.8、および AlgHA UCNPs 0.4) の形態を含む、さまざまな配合の UCNPs で修飾されたエアロゲルの微細構造を示しており、エアロゲルの多孔質構造における UCNPs の均一な分布を明らかにしています。画像は、UCNP の添加によってエアロゲルの完全性と多孔性が破壊されず、代わりに滑らかで開いた多孔性ネットワークが形成されたことを示しています。これは、エアロゲルの生体適合性と細胞増殖促進特性を維持するために重要です。さらに、エネルギー分散型X線分光法（EDX）分析により、エアロゲル中のUCNPsの存在が確認され、UCNPsの粒度分布分析により、合成後とエアロゲルへの組み込み後のサイズの一貫性が示されました。これらの結果は、UCNP が物理化学的安定性を維持しながらエアロゲルにうまく統合されたことを示しています。

図 2 異なるエアロゲル配合の細胞研究異なるエアロゲル配合と接触した後の BALB/c 3T3 細胞の活性を WST-1 実験で評価しました。結果は、24 時間後と 48 時間後に陽性対照群と比較して細胞活性に大きな差がないことを示しており、これらのエアロゲルは細胞に対して無毒であり、生体適合性が良好であることを証明しています。さらに、ヒト骨髄間葉系幹細胞（MSC）の接着を評価したところ、DAPIで染色した共焦点顕微鏡画像では、UCNPs標識エアロゲルでも非標識エアロゲルでもMSCsの接着は同様であり、UCNPsの添加が細胞の接着に影響を与えないことが示されました。これらの結果は、細胞培養および組織工学用途の生体材料としての UCNP 標識エアロゲルの可能性を浮き彫りにしています。

図 3 皮下移植後 1 週間におけるさまざまなエアロゲル製剤 (それぞれ Alg、Alg UCNPs 0.8、または AlgHA UCNPs 0.4) のテスト図 3 に示すように、さまざまなエアロゲル製剤 (Alg、Alg UCNPs 0.8、および AlgHA UCNPs 0.4) を皮下移植してから 1 週間後のマウスとラットの血漿中の腫瘍壊死因子 α (TNF-α)、インターロイキン 6 (IL-6)、およびインターロイキン 10 (IL-10) の発現レベルと主要臓器 (脾臓、肝臓、腎臓) の組織指数をまとめました。結果は、対照群と比較してすべての実験群でTNF-αとIL-10のレベルに有意差はなく、IL-6のレベルは検出されなかったことを示しており、これは埋め込まれたエアロゲルが低レベルの炎症反応を引き起こしたことを示しています。組織指数の測定でも統計的に有意な差は見られず、埋め込まれたエアロゲルが主要臓器に毒性を引き起こさなかったことが示されました。さらに、画像 3c は、移植後 1 週間で移植部位に形成された結合組織カプセルを示しており、これはエアロゲル移植後の局所組織反応を示しています。これらの結果は、UCNP 標識エアロゲルの生体内適合性と安全性を総合的に反映しています。

図 4 HE 染色によって得られたさまざまな組織の組織学的画像 H&E 染色は、さまざまなエアロゲル製剤 (Alg、Alg UCNPs 0.8、および AlgHA UCNPs 0.4) を 1 週間皮下移植した後のマウスとラットの皮膚、脾臓、肝臓、および腎臓組織の組織学的画像を示しています。これらの画像は、移植部位の皮下肉芽腫性炎症反応を示しており、主にマクロファージ、リンパ球、形質細胞が豊富な炎症細胞浸潤で構成されています。対照群（ステントのない動物）では、外科的切開に対する軽度の炎症反応と一致して、瘢痕が最小限に抑えられました。この研究では大きな組織異常は観察されず、埋め込まれたエアロゲルの周囲の組織反応は、インプラントに対する予想される異物反応の一部であると考えられます。さらに、移植されたエアロゲルの周囲に結合組織カプセルが形成されたことからも、正常な創傷治癒過程が示されており、感染や炎症の兆候は見られず、UCNPs 標識エアロゲルの良好な生体適合性がさらに確認されました。

図5 励起波長745nm、発光波長840nmで得られた蛍光強度グラフ。UCNPsで標識されたアルギン酸エアロゲルを移植したマウスモデルを使用。移植後のさまざまな時点（手術直後、4時間後、1日後、1週間後、2週間後、3週間後）で蛍光イメージングシステム（IVIS®）を使用して画像を撮影。研究者はエアロゲルの蛍光信号をリアルタイムかつ非侵襲的に監視することができました。結果は、蛍光信号が移植部位に均一に分布し、最大 3 週間のモニタリング期間中安定していることを示しており、UCNP 標識エアロゲルは、生体内でのインプラントの生分解プロセスと位置の長期モニタリングのための追跡可能なインプラントとして機能できることを実証しています。さらに、UCNPs 標識エアロゲルを移植したマウスの脾臓では弱い蛍光シグナルのみが検出され、これは体内での UCNPs の分布と代謝を示している可能性があります。これらの発見は、生物学的イメージングにおける UCNP の応用可能性を浮き彫りにし、新しい統合診断および治療インプラントの開発のための科学的根拠を提供します。

ここでは、アップコンバージョンナノ粒子 (UCNP) を統合した 3D プリントのアルギン酸ハイドロキシアパタイトエアロゲルの開発に成功し、新しい多機能診断および治療インプラントを実現しました。このエアロゲルは、優れた生体適合性と組織再生促進能力を備えているだけでなく、UCNPの蛍光特性を利用して、移植後の長期にわたるリアルタイムモニタリングを実現します。その安全性と有効性は、in vitro 細胞実験と in vivo 動物モデルを通じて検証され、組織工学とバイオイメージングの分野で大きな応用可能性を実証しました。

ソース：

https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2024.07.033

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