骨再生のための新しい生体活性足場の3Dプリント

出典: BCMLエクスプレス

骨組織の細胞外マトリックスをシミュレートすることは、生体活性骨再生スキャフォールド材料の開発にとって非常に重要です。研究者らは、骨組織の組成と天然の石化産物にヒントを得て、骨組織の組成に類似した生体活性材料として真珠粉末（PP）を選択し、それを魚皮ゼラチンメタクリレート（GelMA）および血管内皮増殖因子（VEGF）と組み合わせて、骨再生を促進できる複合足場を作製した。同時に、3D プリント技術を使用してステントの構成と構造を正確に制御し、臨床ニーズを満たします。魚皮GelMAとPPの複合材料は、優れた生体適合性、細胞接着、骨形成分化能力をスキャフォールドに与え、VEGFの制御放出によりスキャフォールドが血管新生を促進することを可能にしました（図1）。

まず、研究者らは顕微鏡と走査型電子顕微鏡を使用してスキャフォールドの形状、層構造、表面多孔性を観察し、エネルギー分散型分光法を使用してスキャフォールド内のCa、Mg、Fe元素を分析しました。その結果、PPの骨形成成分がスキャフォールドにうまく充填されていることが示されました。図 2d および e から、スキャフォールドの繊維は融合や分散のない明確な層状構造になっていることがわかります。さらに、足場の繊維の間に隙間が残され、より高い多孔性が形成され、酸素と栄養因子の交換と生理活性因子の放出が促進されます。エネルギー分散型分光法（EDS）の結果、PP中の微量元素Ca、Mg、Feがスキャフォールドに現れたことが示され、スキャフォールドにPPが正常に充填されたことが示されました（図2g-i）。次に、研究者らはモデル薬剤として蛍光イソチオシアネートウシ血清アルブミン（FITC-BSA）をスキャフォールドに埋め込み、リン酸緩衝生理食塩水（PBS）にスキャフォールドを浸してスキャフォールドの蛍光を観察し記録した。図 3a に示されているスキャフォールドの均一で明るい蛍光は、FITC-BSA のカプセル化が成功したことを示し、蛍光強度が継続的に減少していることは、薬剤の放出が遅いことを示しています。スキャフォールドは、それぞれ骨髄間葉系幹細胞 (BMSC) および骨芽細胞 MC3T3-E1 と共培養され、スキャフォールドの生体適合性が観察されました。結果は、対照群と比較して、スキャフォールド群のBMSCとMC3T3-E1は3日間の培養後に理想的な細胞密度と良好な形態を示したことを示した（図3c、e）。同時に、スキャフォールドをヒト臍帯静脈内皮細胞（HUVEC）と6時間共培養した後、対照群と比較してより多くの管状構造が観察され、スキャフォールドが血管新生促進効果を有することが示された（図3d、f）。

次に、研究者らはアルカリホスファターゼ（ALP）およびアリザリンレッド（ARS）染色によってスキャフォールドの骨形成活性を評価しました。GelMA-PPグループとGelMA-PP＆VEGFグループはより深い染色効果を示し、定量的結果でもそれらの優れた骨形成効果が確認されました（図4a、b、d、e）。同時に、PP 内の他の活性タンパク質や糖タンパク質も骨形成に寄与している可能性があります。この仮説を検証するために、研究者らは BMSC を使用したスクラッチ実験を実施しました。結果は、GelMA-PP グループと GelMA-PP&VEGF グループが幹細胞の移動とリクルートを促進する能力がより強いことを示しました (図 4c、f)。
最後に、研究者らはラットの頭蓋骨欠損モデルを使用し、欠損部位にスキャフォールドを移植し、8週間後に骨の再生を観察した。研究者らは、マイクロCT分析により、対照群およびGelMA群と比較して、GelMA-PP群およびGelMA-PP&VEGF群の新骨量が大きく、その中でもGelMA-PP&VEGF群が生体内骨修復効果が最も優れていることを発見した（図5a、c、d）。 HE染色により、スキャフォールド処理群ではより多くの新しく形成された骨組織が存在することも確認されました（図5b）。免疫蛍光染色および免疫組織化学染色により、GelMA-PP&VEGF 群は骨形成マーカー OPN および OCN と血管内皮細胞マーカー CD31 の発現を著しく増加させることが明らかになりました。これは、スキャフォールドが骨形成と血管新生の相乗効果を通じて骨再生を効果的に促進できることを示しています (図 6)。

要約すると、研究者らは 3D 印刷技術を使用して、生理活性因子 VEGF の放出を制御できる PP と魚皮の GelMA ハイブリッドスキャフォールドを実現しました。 PPにはカルシウム、マグネシウム、鉄などの骨形成促進因子が含まれており、魚皮GelMAマトリックスは優れた細胞接着能力を提供し、VEGFは血管新生を促進し、相乗的に骨組織の再生を促進します。

この研究は、東南大学の趙元金教授のチームによって完了され、2023年10月23日にAdvanced Scienceにオンラインで公開されました。

論文情報: Yang L、Fan L、Lin X、Yu Y*、Zhao Y*。骨再生のためのマイクロ流体3Dプリントによる真珠粉末ハイブリッド生体活性スキャフォールド。Adv Sci 2023、23: e2304190。

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