蘇州大学のQu Jing氏のチーム:軟骨損傷の修復のための押し出し3DバイオプリントGelMA-MSCスキャフォールド

蘇州大学のQu Jing氏のチーム:軟骨損傷の修復のための押し出し3DバイオプリントGelMA-MSCスキャフォールド
急性外傷、慢性的な負担、変性疾患などによって引き起こされる軟骨損傷は、一般的な臨床状態です。軟骨組織は構造が複雑で血管を含まないため、自己修復能力が制限されます。現在、軟骨欠損の治療の主な方法は、軟骨を模倣したインプラントやマイクロフラクチャー手術を使用して組織の修復と再生を促進することですが、これらの方法は侵襲的であり、修復プロセスはほとんどの場合制御不能であり、深刻な副作用を伴います。したがって、新しい軟骨修復または置換材料のさらなる研究が必要です。

メタクリロイルゼラチン(GelMA)は、最も一般的に使用されているハイドロゲル材料の1つであり、天然および合成バイオマテリアルの両方の特性を備えています。細胞の成長と分化に適した3次元構造、優れた生体適合性および細胞応答特性を備えており、人工基底膜やその他の天然コラーゲンハイドロゲルを置き換えることができます。押し出しベースの3Dバイオプリンティング技術の最大の利点は、30mPa/sから6×107mPa/s[1]の粘度を持つ生体材料をカバーする、幅広い生体適合性材料(細胞クラスター、細胞含有ハイドロゲル、マイクロキャリア、脱細胞化マトリックス成分など)を印刷できることです。ほとんどの印刷インクとよく適合し、幅広い材料用途を形成します。インビトロ組織構築、組織修復、人工プロテーゼなどの関連分野に応用されています。

蘇州大学のQu Jing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、軟骨修復用の骨髄間葉系幹細胞を充填したGelMAハイドロゲル(GelMA-MSCs)スキャフォールドを作製しました。生体内実験では、スキャフォールドが細胞間および細胞/マトリックス相互作用のための良好な微小環境と生化学的シグナルを提供し、それによって軟骨損傷におけるコラーゲン繊維の再生と機能回復を促進することが実証されました。関連研究「3次元バイオプリンティングで作製したGelMA-MSCスキャフォールドによるウサギの軟骨欠損の修復に関する実験的研究」がInternational Journal of Bioprintingに掲載されました。
図1 GelMA-MSCsスキャフォールドモデルの構築 印刷インクの選択に関しては、本研究ではメタクリロイルゼラチン(GelMA)を主なインク成分として選択しました。GelMAは二重結合修飾ゼラチンであり、その溶液は紫外線(UV)下で架橋され、ゲルに硬化することができます。GelMA分子にはRGD細胞接着配列が含まれており、それが形成する3次元ネットワーク構造は優れた生体適合性を備えています。細胞を含んだマイクロナノポーラスハイドロゲルスキャフォールドの製造に使用でき、細胞の成長、増殖、移動、分化に適した3D環境を提供でき、さらなる栄養素の送達と欠陥の修復に重要です。孔サイズが大きいほど、より多くの空間が作られ、細胞の成長、増殖、移動を促進します。欠損部に埋め込んだ後、動物が動くとスキャフォールドが脱落する可能性があることを考慮すると、適切なスキャフォールドの膨張率により、スキャフォールドが欠損部によりよくフィットする可能性があります。研究者は最終的に、全層軟骨欠損部の修復に 5wt% GelMA-60 を選択しました。

図 2 GelMA-MSC スキャフォールド材料の生体適合性 幹細胞のみと組み合わせた GelMA のさらなる応用は、細胞調節挙動や移動などの要因が欠如しているため制限されています。そこで研究者らは、調節因子(マイクロRNA-410)を介して微小環境におけるMSCの生物学的挙動を調節し、体外でのMSCの移動、増殖、軟骨分化を促進しました(図3、図4)。

図 3 MSC における microRNA-410 の発現 図 4 microRNA-410 の過剰発現はウサギ MSC の増殖を促進します microRNA-410 の役割をさらに調査するために、研究者は動物実験をブランク グループ、GelMA-MSC グループ、および GelMA-microRNA-410-MSC グループの 3 つのグループに分けました。 3つの実験グループに対して定量評価(図5)、マイクロCTスキャン(図6)、組織染色(図7、図8)を実施した結果、GelMA-microRNA-410-MSCグループが3つのグループの中で最も修復効果が高く、ウサギ軟骨欠損モデルにおいて軟骨細胞の再生と修復を達成し、軟骨表面と表面欠損部の下層組織の全体的な修復効果を達成できることが示されました。これは、microRNA-410が軟骨欠損の修復を促進し、生体内での軟骨欠損の修復に明らかな利点があることを示しています。

図 5 GelMA-MSCs スキャフォールドによる表面欠損修復の定量評価図 6 マイクロ CT スキャンと定量分析図 7 HE、マッソントリクローム、S-OS FS 染色分析図 8 Col II および BMP 2 染色分析要約すると、本研究では、軟骨表面と表層軟骨下組織を模倣して修復に適した微小環境を提供し、軟骨修復における潜在的な応用価値を持つ軟骨修復スキャフォールドを製造するための押し出しベースの 3D バイオプリンティング戦略を開発しました。

ソース:
http://dx.doi.org/10.18063/ijb.v9i2.662

押し出し、生物学的、細胞、軟骨

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