復旦大学/上海理工大学チーム: 3Dプリントサポート構造、カプセル不透明モデルのGelMA/PLMA準備

出典: EFL Bio3Dプリンティングとバイオ製造

後白内障（PCO）は、後嚢混濁とも呼ばれ、白内障手術後の長期にわたる主な合併症です。手術後 1 ～ 5 年の発生率は、成人では 20 ～ 40%、小児では 100% にも達します。近年、PCO の発生を減らすためにさまざまな対策が講じられていますが、PCO の発生と発症のメカニズムはまだ十分に解明されていません。そのため、PCO の予防と治療戦略をさらに改善・開発し、PCO のメカニズムについて深く研究することが重要です。

最近、復旦大学付属病院の朱湘佳教授、羅毅教授、上海科技大学の戴波教授のチームは、「GelMAおよびPLMAハイドロゲルコーティング樹脂を使用した後嚢混濁用3Dバイオプリンティングモデルの製造」と題する研究論文をRegenerative Biomaterials誌に発表し、白内障手術後の水晶体嚢の解剖学的構造をシミュレートする新しいPCOモデルを提案した。研究者らは、EFLブランドの投影光硬化型生物3Dプリンター（EFL-BP8601 Pro）を使用し、感光性樹脂と組み合わせて剛性の中空ベースと蓋の外部サポート構造を準備し、その後、樹脂サポート上にハイドロゲルをスピンコートしてレンズカプセル構造を構築しました。その後、一連の染色技術を使用して、さまざまなハイドロゲル組成物の生体適合性と細胞機能への影響を評価し、抗炎症性および抗増殖性を持つさまざまな薬剤のヒト水晶体上皮細胞 (HLEC) への影響を調査しました。これにより、PCO モデルは、PCO の病因を研究し、潜在的な治療介入を調査するための貴重な実験プラットフォームを提供することが示されました。

PCO の病理学的メカニズムと薬物介入戦略を調査するために、研究者はさまざまな生体内および生体外モデルを開発してきましたが、これらのモデルには、3 次元動的培養、バイオニックバッグサポート、微小環境シミュレーションおよび介入などの重要な領域で依然として限界があります。この研究では、in vitro PCO モデルを構築するための新しい方法を模索しました。まず、水晶体の解剖学的構造と白内障手術後の水晶体嚢の構造に基づいて 3 次元モデルを設計しました。効果的なサポートを提供するために、感光性樹脂ベースのバイオ 3D 印刷プロセスを使用して安定した外層構造を構築しました。次に、嚢袋の嚢壁構造をより適切にシミュレートするために、ステントの表面にハイドロゲルの薄層を塗布して、良好な成長微小環境を確立しました。 PCO モデル全体は開閉式設計を採用しており、モデルの正確な位置決め、実験介入、染色観察に便利です。

図1 PCOモデルの設計と構築

PCO モデルの超薄コーティングとして最適なハイドロゲル混合物を決定するために、研究者らは、さまざまな濃度と材料条件で細胞透過性と生体適合性を評価し、5wt% GelMA60 と 2wt% ε-PLMA を最適な混合物として選択しました。次に、水晶体嚢の構造をより良く再現し、ヒト水晶体上皮細胞（HLEC）の培養に最適な条件を作り出すために、PCOモデルをハイドロゲルでコーティングするさまざまな方法を比較しました。回転速度2000rpmでスピンコーティングして得られたハイドロゲルコーティングは、優れた生体適合性、安定性、抗菌活性、低い酸化ストレス生成率を備えており、HLECにとって好ましい成長環境を提供することがわかりました。

図2 PCOモデルの構築、介入、分析の概略図

研究者らは、培養皿での培養、ハイドロゲル3Dプリント形式での培養、PCOモデルの構築という3つの方法で細胞活性と脂質過酸化レベルを比較しました。研究者らは、PCOモデル表面のハイドロゲルコーティングに使用されたスピンコーティング技術がHLEC培養に最適な環境を提供することを検証し、提案されたPCOモデル構築方法が機械的支持、形態学的安定性、および生体適合性特性のバランスを確保していることを示しています。

図3 PCOモデル生体材料の適合性評価

図4 PCOモデルにおける酸化ストレスレベルの評価

研究者らは、PCOモデルに基づいて、選択した8つの薬剤の抗アポトーシス、抗酸化ストレス、抗炎症特性を調査しました。薬剤のHLECに対する効果を評価することで、AICAR、ラパマイシン、4-OIがPCOモデルにおけるHLECの増殖と移動を著しく阻害することを確認しました。これは、AICAR、ラパマイシン、4-OIが薬剤開発の理想的なターゲットであることを示しました。

図5 PCOモデルにおける薬物治療後の細胞移動

図6 薬物治療後のPCOモデルにおける細胞遊走の評価

要約すると、本論文では、慎重に設計されたパラメータが白内障手術後の水晶体嚢の状態をシミュレートし、3D プリントされた中空ベースが安定性とサポートを提供し、GelMA と PLMA 複合ハイドロゲルの微生物コーティングを適用して HLEC の成長に最適な微小環境を作り出す、新しい PCO モデルの開発に成功しました。このモデルは、PCO の病因を研究するだけでなく、さまざまな薬物介入を研究し、さまざまな薬物が PCO の発生と発達に介入する効果を分析し、正確な介入のための実験的基礎を提供するためにも使用できます。

ソース：
https://doi.org/10.1093/rb/rbae020

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