南京大学の趙元金氏が率いる研究グループ：その場で3Dプリントされた光合成酸素生成生体足場が慢性創傷治癒を加速

この投稿は warrior bear によって 2022-5-12 20:09 に最後に編集されました。

出典: 調査

自然界における藻類とサンショウウオの共生関係にヒントを得て、南京大学鼓楼病院の趙元錦教授の研究グループは、光合成活性微細藻類をハイドロゲル足場システムに導入し、マイクロ流体工学と3D印刷戦略を組み合わせることで、皮膚の傷口に微細藻類足場材料をその場で印刷することを実現しました。この生体ステントは光制御酸素生成特性を有し、低酸素創傷に継続的に酸素を供給し、血管再生を促進し、慢性創傷の治癒速度と治癒の質を大幅に改善します。関連する研究内容は、「自律栄養性創傷治癒のための生体光合成足場のインサイチュ 3D バイオプリント」というタイトルで Research に掲載されました。

引用: Xiaocheng Wang、Chaoyu Yang、Yunru Yu、Yuanjin Zhao、「In Situ 3D バイオプリント生体光合成足場による自律栄養創傷治癒」、Research、vol. 2022、記事 ID 9794745、11 ページ、2022 年。

関連論文リンク: https://doi.org/10.34133/2022/9794745

背景

日常生活や外科手術では創傷が頻繁に発生し、創傷の修復は世界中の医療・健康分野で非常に重要な問題となっています。組織工学の足場材料は、さまざまな創傷表面、特に大きな創傷、深い創傷、慢性創傷の修復に広く使用されています。しかし、実際の使用時に、深さや形状が異なる創傷に合わせて任意の形状やサイズのスキャフォールドを製造することは、現状では一般的に困難です。さらに、ステント内部、特に大きなステントの中央領域への栄養供給と酸素供給が不十分になると、全体的な修復結果が悪くなりやすくなります。無機過酸化物、液体過酸化物、またはフルオロカーボンをスキャフォールドに組み込むことができますが、全身性低酸素症を軽減し、血管新生とコラーゲン沈着を促進し、創傷治癒を加速するために使用できます。しかし、これらのシステムは通常、短時間しか酸素を供給できず、創傷治癒プロセス全体に必要な酸素供給を維持することは困難です。したがって、柔軟で形状を制御でき、継続的な酸素供給特性を持つ新しいステント材料については、さらなる研究が必要です。

光合成微細藻類は、独立栄養性の原始的微生物として、光条件下で光合成を行い、二酸化炭素と水を酸素と栄養素に変換します。自発的な酸素生成特性、豊富な生理活性成分、優れた生体適合性により、さまざまな機能性複合材料システムに組み込まれ、腫瘍治療や組織再生などの生物医学的用途で効果的に使用されています。さらに、in situ 3D バイオプリンティング技術では、体内の組織欠損部位に生体活性スキャフォールドを直接印刷できるため、不規則な形状の隙間を埋めやすくなり、周囲の組織とのより良好な橋渡しと統合を実現できます。そこで本研究では、マイクロ流体紡糸技術と3Dプリント技術を組み合わせ、創傷部位に光合成微細藻類の足場材料をその場でプリントする戦略を提案した。この戦略は、あらゆる形状や深さの組織欠損にリアルタイムで適合できるだけでなく、低酸素創傷に継続的に酸素を供給し、慢性創傷の治癒プロセスを加速することができる。

研究の進捗

このシステムでは、研究チームはまず、同軸に組み立てられた毛細管マイクロ流体デバイスを使用して、微細藻類を含む1次元ハイドロゲル繊維材料を準備しました。次に、マイクロ流体デバイスを従来の押し出し3D印刷プラットフォームに統合し、3D印刷を使用して1次元繊維を整然と配置して3次元的に積み重ね、生きた微細藻類ハイドロゲル足場のin situ印刷を実現しました（図1）。

図 1 光合成酸素生成生体足場を作製し、創傷修復に使用するための in situ 3D プリントの概略図。光合成微細藻類を埋め込むことで、生体足場は光の下で継続的に酸素を生成することができ、低酸素条件下での細胞の増殖、移動、分化などの生理活動を改善します。さらに、このマイクロ流体技術と3Dプリント戦略を組み合わせることで、創傷部位に微細藻類の足場材料をその場でプリントすることが可能になります。微細藻類細胞の光合成放出特性を利用することで、創傷部位の局所的な低酸素状態を効果的に緩和し、新しい血管の再生と細胞マトリックスの合成を促進し、創傷治癒プロセスを大幅に加速することができます。

微細藻類は足場内で増殖し続け、光合成により継続的に酸素を生産することができるため、光制御下で自発的に酸素を放出する性質を備えています（図2）。図 2 (a、b) は、in situ 3D プリント戦略によって準備されたスキャフォールド内の微細藻類が 150 μm のスケールで良好な増殖活性を維持していることを示しています。図 2 (c、d) は、スキャフォールドが室温および生理的温度で光合成酸素生成の特性を備えていることを示しています。図 2 (e) は、微細藻類スキャフォールドの酸素放出が光によって制御できることを示しています。

図2 微細藻類足場の光合成酸素生成能力微細藻類足場を細胞と共培養すると、足場自体の細胞適合性が良好となり、微細藻類と細胞は長期にわたる共生関係を維持できます。さらに重要なのは、足場内の微細藻類が光条件下で継続的に酸素を放出できるため、低酸素環境における細胞の低酸素状態を効果的に緩和し、細胞が増殖、移動、分化などの良好な生理活動を維持できることです（図3）。このうち、図3(a)は、微細藻類スキャフォールドが光合成により酸素を放出し、in vitro細胞の低酸素環境を改善する模式図であり、図3(b)は、低酸素プローブを使用して、スキャフォールドが酸素を放出し、低酸素環境を緩和する機能を有することを検証している。低酸素条件下では、微細藻類スキャフォールドは酸素を放出することにより、低酸素環境における内皮細胞の増殖(図3(c、d))、移動(図3(eh))、および管状構造形成(図3(i、j))を促進することができる。スケールバーはすべて200μmである。

図 3 微細藻類の足場は、in vitro で細胞の低酸素性微小環境を改善します。さらに、研究チームは典型的な糖尿病性慢性創傷モデルを使用して、微細藻類の足場が低酸素症を軽減し、in vivo で治癒を促進する能力を評価しました (図 4)。彼らは、純粋なハイドロゲル足場と微細藻類を含む足場を糖尿病マウスの創傷部位に直接印刷し（図4（a））、創傷治療のために光照射と組み合わせました。 15日間の観察（図4（b、c）、スケールバーは5mm）を通じて、微細藻類スキャフォールドは微細藻類を含まないスキャフォールド群と比較して創傷治癒速度を大幅に加速できることがわかりました。注目すべきは、照明下と照明なしの微細藻類スキャフォールドグループ間に有意差がなかったことです。これは、微細藻類の生きたスキャフォールド自体が優れた組織再生活性を持ち、光がない場合でも創傷治癒を促進できることを示しています。新しい皮膚のその後の組織学的分析により、微細藻類スキャフォールド群では創傷部位に、より完全で整然とした新しい皮膚組織が形成されたことが明らかになりました (図 4 (d、e)、スケールバー、300 μm)。これは、対照群および微細藻類を含まないスキャフォールド群で観察された不完全な表皮とは対照的です。同時に、光下にある微細藻類の足場は、創傷部位の低酸素状態を改善し、血管新生とコラーゲンの沈着を促進する効果に優れています。光合成微細藻類スキャフォールドは、新しいタイプの組織工学スキャフォールド材料として使用されることが期待されており、さまざまな組織欠損修復用途に広く使用されていることがわかります。

図4 慢性創傷治癒のためのin situプリント微細藻類足場
今後の展望

趙元金教授のチームは、マイクロ流体工学と3Dプリントを組み合わせた戦略を使用して、創傷部位に光合成生体足場材料をその場で印刷することを実現しました。この生きた足場は、継続的かつ制御可能な光合成酸素生成の特性を備えており、慢性創傷の治癒プロセスを大幅に加速することができます。さらに、in situ 印刷戦略により、スキャフォールド材料の組成と形状の個別カスタマイズが実現できるだけでなく、あらゆる形状と深さの組織欠損のリアルタイムマッチングと迅速な修復も可能になります。これらの結果は、原位置で印刷された光合成酸素生成生体足場材料が、創傷治癒や組織再生などの関連研究分野で重要な役割を果たすことを示しています。

著者について

趙元錦氏は、東南大学/南京鼓楼病院の教授兼博士課程の指導者です。彼の研究対象には、バイオニック材料、マイクロ流体、臓器チップなどがあります。責任著者として、Science Robotics、Science Advances、Nature Protocol、PNAS、Advanced Materialsなど国際的に著名なジャーナルに200件以上の研究論文を発表し、総引用数は13,000回を超え、120件以上の特許を申請しています。彼は中国化学会の若手化学者賞、中国化学会の優秀若手科学者賞を受賞しており、英国王立化学会の会員でもあります。

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