押し出しベースのバイオプリンティングによる 3D スキャフォールドの構築と骨欠損治癒を促進する共生ミクロネステートのメカニズムの探究

出典: EngineeringForLife

急性外傷、感染症、腫瘍切除、または先天性疾患によって引き起こされる骨癒合不全および骨欠損は、一般的な整形外科疾患であり、整形外科治療における困難な問題でもあります。 3D プリントされたスキャフォールドは組織修復を促進する上で優れていることが示されていますが、骨の治癒を促進するスキャフォールド材料の作用メカニズムや、異なる材料成分を含む 3D プリントされたスキャフォールドを移植した後に細胞レベルで活性化される特定の分子制御ネットワークはまだ明らかにされていません。さまざまな 3D スキャフォールド材料を移植した後の骨修復プロセスの調節メカニズムと、再生組織内のさまざまな細胞の行動と機能の変化の調節メカニズムを理解することは、骨修復を促進する細胞行動、遺伝子発現、および調節ネットワークの変化を明らかにする上で非常に重要です。

上海交通大学医学部の鄧連富氏のチームは、EFL押し出しバイオ3Dプリンター（EFL-BP-6601）を使用して3つの3Dスキャフォールドを準備し、生物学的機能の変化を通じて、それらのバイオマテリアルが提供する共生微生物叢が細胞機能と骨再生プロセスに及ぼす特定の制御メカニズムを評価しました。 RNA-Seq技術により、組織再生過程における3Dスキャフォールド材料の遺伝子発現への影響を転写レベルで解析し、遺伝子機能解析によりハイドロゲル、PCL、β-TCPスキャフォールド材料の生物学的特性を取得しました（図1）。関連研究「トランスクリプトーム解析により、骨欠損治癒を促進する 3D スキャフォールドの共生ニッチが明らかに」が Advanced Science 誌に掲載されました。

図 1 転写レベルの分析により、ハイドロゲル、PCL、β-TCP 3D プリントスキャフォールドが骨欠損の治癒を促進する効果が明らかになりました。研究者らはまず、3 つのスキャフォールドの準備プロセスを評価し、走査型電子顕微鏡 (SEM) によって 3 つのスキャフォールドの異なる微細構造を示しました (図 2)。細胞の生死染色と CCK8 実験により、ハイドロゲル、PCL、β-TCP の 3D プリントスキャフォールドは優れた生体適合性を持つことが示されました (図 3)。

図 2 ハイドロゲル、PCL、β-TCP スキャフォールドの構築図 3 ハイドロゲル、PCL、β-TCP スキャフォールドの生体適合性欠損部での骨再生を促進するハイドロゲル、PCL、β-TCP 3D プリントスキャフォールドの機能を評価するために、生体内スキャフォールド移植実験を通じて新しい骨形成の違いを評価および定量化し、スキャフォールド移植によって骨の治癒が加速されることがわかりました (図 4)。組織学的分析により、ハイドロゲル、PCL、β-TCP、およびスキャフォールドなしのグループを比較しました。染色結果から、スキャフォールドの移植により、軟骨仮骨における骨化中心、新骨、血管、線維組織の形成が促進されたことが示されました (図 5)。転写レベルの解析により、ハイドロゲル、PCL、β-TCP スキャフォールドには骨の治癒を促進する機能があることが示されました (図 6)。

図 4 ハイドロゲル、PCL、β-TCP スキャフォールド材料の骨再生に関する生体内実験評価図 5 ハイドロゲル、PCL、β-TCP スキャフォールドの欠損領域に新しく形成された組織の組織形態学的分析図 6 ハイドロゲル、PCL、β-TCP スキャフォールドの転写レベル分析生物学的プロセス、細胞成分、分子機能のレベルで差次的発現遺伝子 (DEG) の機能を分析するために、研究者らは GO エンリッチメント分析と KEGG エンリッチメント分析 (図 7 と 8) を使用して DEG の機能を明らかにし、トランスクリプトームシーケンシング技術 (図 9) により、さまざまなスキャフォールド材料が骨再生と修復プロセスの主要な細胞および分子調節に及ぼす影響を解読しました。

図 7 DEGs スキャフォールドグループとコントロールグループの GO エンリッチメント解析図 8 DEGs スキャフォールドグループとコントロールグループの KEGG エンリッチメント解析図 9 ハイドロゲル、PCL、および β-TCP スキャフォールドグループ間のシグナル伝達の違いの転写レベル解析異なるグループの DEGs によってコードされているタンパク質機能を明らかにするために、タンパク質間相互作用ネットワーク (PPI) 解析を実行しました (図 10)。その結果、細胞分裂周期タンパク質 (Cdc タンパク質ファミリー) がハイドロゲルグループと PCL グループに豊富に含まれていることが示されました。

図 10 タンパク質間相互作用ネットワーク (PPI) 分析骨の治癒過程におけるスキャフォールド、細胞、再生組織からなる共生微小コミュニティに対するハイドロゲル、PCL、β-TCP の調節機能をさらに検証するために、細胞実験と組織形態学的分析により、ハイドロゲル、PCL、β-TCP スキャフォールドが骨の治癒過程を加速できることが示されました (図 11)。

図 11 生体内および生体外のスキャフォールドによる共生ミクロネスト内の細胞または組織への調節効果要約すると、本論文では、骨欠損部に移植された 3 つの材料によって形成された細胞および周囲の組織との共生ミクロネストが、骨治癒過程における軟骨から硬骨への移行中に転写レベルで及ぼす調節効果を予備的に調査し、異なる材料の特定の機能を明らかにしました。また、トランスクリプトームシーケンス技術を使用して、さまざまな足場材料が骨の再生と修復プロセスの重要な細胞と分子の調節に及ぼす影響を解読し、骨再生のための生物学的足場材料のその後の設計と骨再生プロセスの特定の調節のためのアイデアを提供することも試みています。さらなる実験研究では、分子生物学的手法を用いて、足場材料の体内への移植後の作用機序と起こり得る副作用を検証し、その作用機序をさらに明らかにして、工学製品への形成と臨床応用を促進する必要があります。さらに、その後の足場材料の設計では、足場材料を作用機序に応じて慎重に設計し、異なる材料の特性を十分に活用して、材料使用の安全性と組織再生の効率を向上させる必要があります。

出典: http://dx.doi.org/10.1002/advs.202105194

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