本研究では、植物由来の生体材料の脱細胞化、物性評価、イメージング、 in vivo 移植の方法、および足場における細胞の播種と分化の方法について詳しく説明します。記載された方法は、骨組織工学的応用のための植物ベースの生体材料の評価を可能にする。
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本研究では、植物由来の生体材料の脱細胞化、物性評価、イメージング、 in vivo 移植の方法、および足場における細胞の播種と分化の方法について詳しく説明します。記載された方法は、骨組織工学的応用のための植物ベースの生体材料の評価を可能にする。
植物由来のセルロース生体材料は、さまざまな組織工学用途に採用されています。 In vivo 研究では、天然由来のセルロースで作られた足場の驚くべき生体適合性が示されています。さらに、これらの足場は複数の組織に関連する構造的特徴を有しており、哺乳類細胞の侵入と増殖を促進します。脱細胞化リンゴのヒパンチウム組織を用いた最近の研究では、その細孔径が海綿骨の孔径と類似していること、および骨形成の分化を効果的にサポートする能力が実証されています。本研究では、骨組織工学(BTE)用途におけるリンゴ由来のセルロース足場の可能性をさらに検討し、in vitro および in vivo の機械的特性を評価しました。MC3T3-E1骨芽細胞をリンゴ由来のセルロース足場に播種し、骨形成能と機械的特性を評価しました。アルカリホスファターゼおよびアリザリンレッドS染色により、分化培地で培養した足場における骨形成分化が確認されました。組織学的検査では、足場全体に広範囲にわたる細胞浸潤と石灰化が示されました。走査型電子顕微鏡(SEM)により、足場の表面に鉱物凝集体が発見され、エネルギー分散型分光法(EDS)により、リン酸塩とカルシウム元素の存在が確認されました。しかし、細胞分化後のヤング率の有意な増加にもかかわらず、健康な骨組織よりも低いままでした。 In vivo 研究では、ラットの頭蓋骨に8週間移植した後、 脱細胞化リンゴ由来の足場内に細胞浸潤と細胞外マトリックスが沈着することが示されました。さらに、骨欠損部から足場を取り外すのに必要な力は、以前に報告された天然の頭蓋骨の骨折荷重と同様でした。全体として、この研究は、リンゴ由来のセルロースがBTEアプリケーションの有望な候補であることが確認されています。ただし、その機械的特性と健康な骨組織の機械的特性の相違により、低耐荷重シナリオへの適用が制限される可能性があります。耐荷重用途のリンゴ由来のセルロース足場の機械的特性を強化するために、追加の構造の再設計と最適化が必要になる場合があります。
怪我や病気によって引き起こされる大きな骨欠損は、完全な再生のために生体材料移植片を必要とすることがよくあります1。骨組織の再生を改善するために設計された現在の技術では、自家移植片、同種移植片、異種移植片、または合成移植片が定期的に使用されています2。自家骨移植は、大きな骨欠損を修復するための「ゴールドスタンダード」移植方法と見なされており、患者から骨を抽出します。ただし、この移植手順には、サイズと形状の制限、組織の可用性、サンプリング部位の罹患率など、いくつかの欠点があります3。さらに、自家移植手術は、手術部位の感染、その後の骨折、サンプリング部位または再建部位での血腫形成、および術後の痛みの影響を受けやすい4。骨組織工学(BTE)は、従来の骨移植方法に代わる潜在的な方法を提供します5。構造的な生体材料と細胞を組み合わせて、新しい機能的な骨組織を構築します。BTE用の生体材料を設計する際には、マクロ多孔質構造、細胞接着を促進する表面化学、および天然の骨によく似た機械的特性を組み合わせることが重要です6。これまでの研究から、BTEに利用される生体材料の理想的な細孔径と弾性率は、グラフト部位にもよるが、それぞれ約100-200μm7、0.1-20GPa程度であることが示されている8。さらに、足場の多孔性と細孔の相互接続性は、細胞の移動、栄養素の拡散、および血管新生に影響を与える重要な要素です8。
BTEは、骨移植の代替オプションとして開発および評価されたさまざまな生体材料で有望な結果を示しています。これらの生体材料には、骨誘導材料、ハイブリッド材料、および高度なハイドロゲル8があります。骨誘導材料は、新しく形成された骨構造の発達を刺激します。ハイブリッド材料は、合成ポリマーおよび/または天然ポリマーで構成されています8。高度なハイドロゲルは細胞外マトリックス(ECM)を模倣し、骨組織の統合を促進するために必要な生理活性因子を提供することができます8。ハイドロキシアパタイトは伝統的な材料であり、その組成と生体適合性からBTEの一般的な選択肢です9。生体活性ガラスはBTEの別のタイプの生体材料であり、特定の細胞応答を刺激して骨形成に必要な遺伝子を活性化することが示されています10,11。ポリ(グリコール酸)やポリ(乳酸)などの生分解性ポリマーも、BTE用途で広く使用されています12。最後に、キトサン、キチン、バクテリアセルロースなどの天然または天然由来のポリマーも、BTE13の有望な結果を示しています。しかし、合成ポリマーと天然ポリマーの両方がBTEの可能性を示していますが、目的のマクロ構造を持つ機能的な足場の開発には、通常、広範なプロトコルが必要です。
逆に、天然の巨視的なセルロース構造は、多様な植物から容易に導出することができ、私たちの研究グループは、植物に由来するセルロースベースの足場が、異なる組織再建に適用できることを以前に実証しました。実際、簡単な界面活性剤処理に続いて、植物材料の固有の構造を利用し、用途の広い生体材料としての可能性を強調しました14。さらに、これらのセルロースベースの足場は、in vitro哺乳類細胞培養用途14に使用でき、生体適合性があり、自発的な皮下血管新生をサポートする14,15,16,17。私たちの研究グループと他の研究グループの両方が、これらの足場が意図された用途14、15、16、17、18、19、20に基づいて特定の植物から得られることを実証しました。例えば、植物の茎や葉に見られる維管束構造は、動物組織に見られる構造と著しい類似性を示す19。さらに、植物由来のセルロース足場は、所望の特性を達成するために、容易に成形され、表面の生化学的修飾を受けることができる16。最近の研究では、脱細胞化プロセス中に塩バッファーを組み込み、in vitroとin vivoの両方の設定で細胞接着の増強が観察されました16。同研究では、植物由来のセルロース足場を足場の表面にハイドロゲルを流延することで、複合生体材料への適用性を実証しました。最近の研究では、植物由来の足場の機能化がその有効性を高めることが示されています18。例えば、Fontana et al.(2017)が実施した研究では、ヒトの皮膚線維芽細胞の接着はRGDでコーティングされた脱細胞化ステムによって支えられているが、コーティングされていないステムは同じ能力を示さないことが明らかになった18。さらに、著者らは、改変された模擬体液を利用して、脱細胞化した植物の茎を人工的に石灰化できることも示しました。最近の研究では、植物由来のセルロース足場における機械感受性骨形成の概念を探り、BTE17,20の可能性を評価しました。さらに、Lee et al.(2019)は、植物由来の足場を利用して、in vitro設定で骨様組織を培養しました21。著者らは、さまざまな植物源を包括的に評価した結果、ヒト人工多能性幹細胞(iPS細胞)の培養と分化に最も適した足場がリンゴ由来の足場であることを突き止めた。さらに、著者らは、リンゴ由来の足場の構造的および機械的特性が、意図された目的への適合性において極めて重要な役割を果たすことを提案しました。組織工学用途に実装された最初の植物由来の足場であるリンゴ由来の足場は、特に直径100〜200μmの範囲の相互接続された細孔の点で、人間の骨の構造と驚くほど類似した構造を持っていることが広く示されています14,21。
本研究では、リンゴ由来のセルロース足場のBTEに対する可能性をさらに調査し、in vitroおよびin vivoの両方でその機械的特性の解析を行いました。BTE 17,20,21のリンゴ由来の足場の可能性に関する研究は行われてきましたが、その機械的特性は十分に調査されていませんでした。その結果、分化培地で4週間培養した足場に播種したMC3T3-E1骨芽細胞の野生の侵入と骨形成分化が示されました。これらの足場のヤング率は192.0 ± 16.6 kPaであり、ブランクスホールド(播種細胞のない足場)(31.6 ± 4.8 kPa)や非分化培地で培養した細胞播種足場(24.1 ± 8.8 kPa)よりも有意に高かった。しかしながら、健康なヒト骨組織のヤング率は、典型的には、海綿骨については0.1〜2GPa、皮質骨については約15〜20GPaの範囲に収まることに留意すべきである8。それにもかかわらず、げっ歯類の頭蓋骨欠損部に8週間の移植後、細胞播種された足場は周囲の骨によく統合されているように見え、押し出し試験で113.6 N±18.2 Nの平均ピーク力によって示され、これは以前に報告された天然の頭蓋骨の骨折荷重に類似しています22。全体として、この研究から得られた結果は、特に非耐荷重用途において大きな有望性を示しています。しかし、リンゴ由来のセルロース足場は、現在のところ、インプラント部位の周囲の骨組織と正確に一致させるために必要な機械的特性を有していません。そのため、これらの足場の可能性を最大限に引き出すには、さらなる開発が必要です。
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実験プロトコルは、オタワ大学動物管理委員会によってレビューされ、承認されました。
1.足場の準備
2. 細胞培養と足場播種
3. 共焦点レーザー走査型顕微鏡を用いた細孔径測定
4. 共焦点レーザー走査型顕微鏡を用いた細胞分布解析
5. アルカリホスファターゼ分析
6. カルシウム沈着分析
7. 鉱化作用分析
8. ヤング率の測定
9. 組織学による細胞浸潤・石灰化解析: In vitro scaffolds
10. ラット頭蓋骨欠損モデル
11.押し出し試験
12. 組織学による細胞浸潤・石灰化解析: in vivo 足場
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細孔径測定、細胞分布、 in vitro での石灰化(図1 および 図2)
リンゴ組織足場の天然細胞成分の完全な除去は、SDSおよびCaCl2 で足場を処理した後に達成されました(図1A)。足場は多孔質構造を示し、共焦点顕微鏡で確認しました。画像の定量化により、平均細孔径は154μm±40μmであることが実証されました。細孔径分布は73μmから288μmの範囲であった。しかし、大部分の細孔は100μmから200μmの範囲でした(図1C)。
分化培地で4週間培養した後、細胞播種した足場は広範囲に白いミネラル堆積物を示しました(図1A)。細胞を含む足場は不透明な白色を呈し、空白の足場(播種された細胞のない足場)で...
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いくつかのin vitroおよびin vivo研究は、植物由来のセルロースの生体適合性と、組織工学におけるその潜在的な使用を実証しています14,15,16,18,19,20、より具体的には骨形成分化をホストするために20,21.本研究の目的は、BTEに対するリンゴ由来のセルロース足場の可能性をさらに調査し、これらの足場の機械的特性をin vitroおよびin vivoの両方で評価することでした。
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利益相反に関する声明:M.L.L.、M.T.、R.J.H.、C.M.C.、I.C.およびA.P.は、BTE用途における植物由来セルロースの使用に関して、オタワ大学とSpiderwort Inc.が出願した特許出願の発明者です。M.L.L.、R.J.H.、C.M.C.、およびA.P.は、Spiderwort Inc.の金銭的利害関係を有しています。
このプロジェクトの資金は、カナダ自然科学工学研究評議会(NSERC)(ディスカバリー助成金)と李嘉誠基金会から提供されました。MLLはオンタリオ州センターオブエクセレンスTalentEdgeプログラムから支援を受け、RJHはNSERC大学院奨学金とオンタリオ大学院奨学金(OGS)の支援を受けました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 4′,6-ジアミジノ-2-フェニルインド | サーモフィッシャー | D1306 | DAPI |
| アリザリンレッド S | シグマ-アルドリッチ | A5533 | ARS |
| アスコルビン酸 | シグマ-アルドリッチ | A4403 | 細胞培養 |
| 塩化カルシウム | サーモフィッシャー | AA12316 | CaCl2 |
| Calcofluor ホワイト | シグマ-アルドリッチ | 18909 | |
| 歯科ドリル | 手術器具 | ||
| エタノール | サーモフィッシャー | 615095000 | |
| ウシ胎児血清 | ハイクロン研究所 | SH30396 | FBS |
| ホルマリン | シグマ-アルドリッチ | HT501128 | 10% ホルマリン |
| ゴールドナーのトリクローム染色 | シグマ-アルドリッチ | 1.00485 | GTC |
| ヘマトキシリンとエオシン染色フィ | ッシャーサイエンティフィック | NC1470670 | H&E |
| 高速共鳴共焦点レーザー走査型顕微鏡 | ニコン | Ti-E A1-R | |
| 塩酸 | Sigma-Aldrich | 258148 | |
| ImageJ ソフトウェア | 国立衛生 | ||
| 灌漑生理食塩水 | Baxter | JF7123 | 0.9% NaCl |
| MC3T3-E1 サブクローン 4細胞 | ATCC | CRL-2593 | 骨芽細胞前 |
| マッキントッシュ リンゴ | カナダ 高級グレード | ||
| メタクリル酸メチル | Sigma-Aldrich | M55909 | 組織学的埋め込み |
| 最小必須培地 | ThermoFisher | M0894 | α-MEM |
| パラホルムアルデヒド | フィッシャーサイエンティフィック | O4042 | 4%;PFA |
| ペニシリン/ストレプトマイシン | Hyclone Laboratories | SV30010 | Cell Culture |
| 過ヨウ素酸 | Sigma-Aldrich | 375810 | |
| リン酸緩衝生理食塩水 | Hyclone Laboratories | 2810305 | PBS; Ca2+ および Mg2+ |
| Propidium iodide | Invitrogen | p3566 | |
| スキャンなし電子顕微鏡 | 日本電子 | JSM-7500F FESEM | SEM and EDS |
| スライドスキャナー顕微鏡 | Zeiss | AXIOVERT 40 CFL | |
| ドデシル硫酸ナトリウム | ッシャーサイエンティフィック | BP166 | SDS |
| メタ重亜硫酸ナトリウム | シグマ・アルドリッチ | 31448 | |
| リン酸ナトリウム | サーモフィ | ッシャーBP329 | |
| スプレイグ・ドーリーラット | チャールズリバー研究所 | 400 | 男性 |
| 用縫合糸 | Ethicon | J494G | 4-0 |
| Trephine | ACE Surgical Supply Co | 583-0182 | 直径 5mm |
| Triton-X 100 | ThermoFisher | 807423 | |
| Trypsin | Hyclone Laboratories | SH30236.02 | 細胞培養 |
| Tween | Fisher Scientific | BP337 | |
| ユニバーサル圧迫デバイス | CellScale | UniVert | |
| von Kossa stain | Sigma-Aldrich | 1.00362 | 組織学 |
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