この方法により、細胞懸濁液によって引き起こされる細胞注入中の大きな浸潤が排除されます。
Method Article
この方法により、細胞懸濁液によって引き起こされる細胞注入中の大きな浸潤が排除されます。
細胞を組織に直接注入することは、細胞投与や補充療法において必要なプロセスです。細胞注入には、細胞が組織に入るのに十分な量の懸濁液が必要です。懸濁液の量は組織に影響を及ぼし、これは細胞注射の結果として重大な侵襲的損傷を引き起こす可能性があります。本稿では、この傷害を回避することを目的としたスローインジェクションと呼ばれる新しい細胞注入法について報告する。しかし、針先から細胞を押し出すには、ニュートンのせん断力の法則に従って十分に高い注入速度が必要です。上記の矛盾を解決するために、この研究では、ゼラチン溶液などの非ニュートン流体を細胞懸濁液として使用しました。ゼラチン溶液は、約20°Cでゲルからゾルに形態が変化するため、温度感受性があります。 したがって、細胞懸濁液をゲル状に維持するために、シリンジをこのプロトコルで冷却し続けました。しかし、いったん溶液を体内に注入すると、体温によってゾルに変換されました。間質組織液の流れは、過剰な溶液を吸収することができます。この研究では、ゆっくりとした注入技術により、心筋細胞ボールが宿主の心筋に入り、周囲に線維化することなく生着することができました。本研究では、ラットの成体心臓の心筋梗塞の遠隔領域に、精製してボール状にしたラット心筋細胞をゆっくりと注入する手法を用いた。注射後2カ月で、移植群の心臓は収縮機能が有意に改善した。さらに、ゆっくりと注入された心臓の組織学的分析により、宿主と移植片心筋細胞の間に、ギャップ結合を含む挿入椎間板 を介した シームレスな接続が明らかになりました。この手法は、次世代の細胞治療、特に心臓再生医療への貢献が期待されます。
細胞の投与と置換は、ひどく損傷した臓器に対する有望な新しい治療戦略です。その中でも、心臓再生医療が大きな注目を集めています。しかし、怪我によって引き起こされる炎症は、いくつかの臓器の瘢痕形成を媒介します1,2,3,4。人間の心臓は、約1010個の心筋細胞で構成されています。したがって、理論的には5,6、それは109以上の心筋細胞で治療されなければならない。従来の注射法で多数の心筋細胞を投与すると、重大な組織損傷につながる可能性があります7。この方法は、組織への浸潤を最小限に抑えた新しい細胞注入法を提供します。
臓器実質への細胞投与には注射が必要です。しかし、注射自体が組織損傷につながる可能性があるという点で矛盾があります。組織損傷は、臓器や組織に局所的な炎症や不治の瘢痕化を引き起こし、再生能力を損なう8,9,10。哺乳類の心臓は、その連続的なポンプ機能によって引き起こされる高血圧に耐えるために、直ちに損傷を修復する必要があるため、再生する代わりに瘢痕を発症する傾向が極めて高い11。アブレーション療法は、この瘢痕形成の傾向の高さを利用し、不整脈12を用いて瘢痕形成を起こしやすい回路を遮断する。以前の研究では、瘢痕組織が宿主の心筋に注入された心筋細胞を単離することが観察されました。このように、心臓再生医療における治療効果の向上のためには、次の課題を克服する必要があります。
組織間質液の流れは、酸素と栄養素を細胞に運び、細胞から排泄された老廃物を除去する上で重要な役割を果たします。各組織/器官における間質液の流れの生理学的速度は異なります(範囲は0.01〜10μm / s)13。著者の知る限り、病理学的浮腫なしに余分な量の体液をサポートする個々の組織/臓器の能力に関するデータはありません。しかし、この実験では、組織の損傷を減らすためにゆっくりとした注入速度を使用することを試みており、その結果を使用して、この概念の実用性を判断することができます。
動物実験は、関西医科大学動物実験倫理指針に則って実施され、倫理委員会(承認番号:23-104)で承認されました。すべての動物は、特定の病原体のない環境で一定の明暗サイクルの下で飼育されました。ハサミ、鉗子、リトラクターなどの滅菌された手術器具はすべてオートクレーブでクレーブ滅菌され、完全に乾燥されました。
1. 新生仔ラット心筋細胞ボールの調製
2. スローインジェクション法の準備
3. 鈍角冠動脈閉塞によるラット心筋梗塞モデルの開発
4. スローインジェクション法によるエコー誘導経皮的細胞移植
5.心機能の評価
6. 免疫組織化学
細胞の生存とコラーゲン沈着に対するスローインジェクションの効果
PKH26で標識した新生仔ラット心筋細胞ボールを、正常または低速注射法を用いて正常なヌードラット心筋に注射した。その結果、スローインジェクション法では、生着細胞の体積が有意に増加し(図3A)、オンサイトI型コラーゲン沈着が有意に減少することが示されました(図3B)。
ラット梗塞モデルにおける治療効果に及ぼす緩慢注射の影響
モデルラットの心梗塞した心臓に、心エコー計ガイド下徐行注射法を用いて、新生仔ラット心筋細胞ボール(PBS(−))を注入した。細胞注射群単独では、2カ月後に心臓収縮機能に有意な改善が見られました(図4A)。免疫組織化学的解析により、生着細胞と宿主筋細胞の間には、ギャップ結合を含むインターカレートディスク を介して シームレスに接続されていることが明らかになりました(図4B)。

図1:噴射システム全体の概略図。 (A)主噴射装置。(B)注射器冷却システム。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図2:心エコー図ガイド下経皮的徐行注射。 (a)動物のセッティング、エコープローブ、及び注射装置。(B)注射器と心臓の心エコー図。なお、左と右の写真は同じですが、針の位置を示す黄色い線が引かれています。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図3:生着細胞量とコラーゲン沈着に対するスローインジェクション法の影響 。 (A)生着した細胞体積(N=3)を連続切片から計算した。エラーバーは標準偏差を示します。*対応 のない t検定ではP<0.01です。(B)I型コラーゲンの免疫組織化学的染色。スケールバーは200μmを示しています。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図4:スローインジェクション法で生着した心筋細胞ボールによる心機能および組織学的統合の改善。 (A)代表的な心エコー計のMモード図。グラフは、心筋細胞球移植群における分画短縮の推移を示しています(赤の実線;N=4)とビヒクル(低速注入法用の細胞懸濁液)群(青点線;N = 3) です。略語:MI =心筋梗塞;Cx43 =コネキシン43;DAPI = 4',6-ジアミジノ-2-フェニルインドール;PKH26 = 赤色蛍光細胞膜標識。誤差範囲は標準偏差を示します。*対応のあるt検定でです。(B)生着心筋細胞ボールと宿主心筋細胞との関係の免疫組織化学的解析。2倍の対物レンズを用いた従来のレーザー顕微鏡観察を左列に示します。ボックスに示されている * と # のラベルが付いた 2 つの領域の拡大 (20 倍対物レンズを使用) を以下に示します。スケールバー:トップ画像 = 300 μm;*および#=30μm。20倍の対物レンズを使用した共焦点レーザー顕微鏡画像は、比較のために一緒に示されています。3 つの位置が表示されます。マージされた画像では、矢印は移植片と宿主心筋細胞を直接接続するギャップ接合(Cx43)の存在を示しています。スケールバーは30μmを示しています。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
補足動画1:エコーガイド低速注入法 正面図のBモード心エコー図では、注射針の先端が心筋に進んでいる様子が見られます。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
スローインジェクション法を成功させるための重要なポイントの1つは、強力なシリンジポンプと強力な圧力伝達チューブを使用して効果的な注入システムを準備することです。細い針の先端からゲルを押し出すには、高圧システムが必要です。2つ目の重要なポイントは、心臓の安定化です。心筋に進入した注射針に対して心臓を鼓動させると、組織が損傷する可能性があります。この研究では、動物が2回目の開胸損傷を受けるのを防ぎ、肺を膨らませた状態で安定した心臓に細胞注射を投与するために、エコーガイド下注射が行われました。さらに、大型動物やヒト向けのアプリケーションでは、心臓に取り付けられた注射装置をアプリケーションの戦略的設計の一部として考慮する必要があります。小動物の心臓への開胸注射では、心拍数が高いため、長くて柔軟な針の使用が推奨されます。
この研究では、スロー注入法は、通常の注入法と比較して、生存する心筋細胞の体積を有意に増加させました。通常の射出では、せん断応力15 によってセルが損傷します。これに対し、低速射出法は、低速射出に加えて非ニュートン解を使用するため、理論的にはこのような応力は発生しません。
局所線維症に関しては、通常注射された生き残った心筋細胞の周囲の間質腔は、強力で広範囲にわたるI型コラーゲン沈着を示しました。対照的に、スローインジェクション法を用いて移植された生着心筋細胞の周りのI型コラーゲンシグナルは、はるかに弱く、より限定的であった。このことは、低速注入法の方がダメージが有意に少なかったことを示唆している。新生児の心筋細胞を成人の心筋にゆっくりと注入すると、梗塞した心臓の収縮機能が有意に改善されました。組織学的解析の結果、スローインジェクション法を用いて心筋細胞を移植すると、宿主の心筋細胞と直接結合し、機能的に結合することが示唆された。この現象は、宿主心筋の機能回復のメカニズムを説明しています。私たちの知る限り、これは宿主の成体心筋細胞と大規模でシームレスな接続を持つ生着した新生児心筋細胞の最初の報告です。電気的および機械的結合 を介した 宿主心筋との機能的接続により、生着心筋細胞が成熟し、宿主の心機能に寄与する機能的な筋細胞として機能的に機能する可能性があります。宿主と移植片心筋細胞の間の長期的な物理的力の相互作用は、完全な成熟に不可欠です。したがって、梗塞した心臓の機能回復には、注射後2か月が必要になる場合があります。患者の心機能の時間依存的な回復は、治療用途で予想される現象である可能性があり、これは、宿主と移植された心筋細胞との間の de novo 機能結合と統合の確立の成功の特徴である可能性があります。
開胸手術中にゆっくりとした注射法を行うことができます。また、この方法はマウスにも適用できる。人間治療への将来の応用のためには、まだいくつかの問題を解決する必要があります。注入速度は、各ヒト標的臓器における間質液流の緩衝容量を考慮して最適化する必要があります。ヒトゼラチンや生分解性合成材料などのゼノフリー材料を適用する必要があります。コンパクトな臓器固有の使い捨てツールや再利用可能な広臓器適用可能な装置など、臨床GMPグレードの低速注射装置を開発する必要があります。
著者は何も開示していません。
本研究は、日本学術振興会科学研究費補助金(23390072 and 19K07335)およびAMED(A-149)の支援を受けて行われました。
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 18ゲージ針&ツベルクリン、テルモ1mL | NN1838R, SS-01T | ||
| 29ゲージ 50mm長針 | 伊藤製作所, 東京, 日本 | 14903 Type-A | |
| 銅管 | 一般供給店 | 外径1mm、内径0.3mm、厚さ0.35mm | |
| 広告緩衝液 | 各成分は富士フイルム和光化学工業(株)(宮崎 | ハンドメイド 組成:116 mM NaCl 20 mM HEPES 12.5 mM NaH2PO4 5.6 mM グルコース 5.4 mM KCl / 0.8 mM MgSO4 pH 7.35 | |
| α-MEM | 富士フイルム和光化学(株) 宮崎 | 051-07615 | |
| 抗コラーゲンI型ウサギポリクローナル抗体(H+L) | Proteintech | 14695-1-AP | 希釈1:100 |
| 抗コネキシン-43ウサギポリクローナル抗体(H+L) | Sigma Aldrich | C6219 | 希釈1:100 |
| 抗ウサギIgG(H+L)ドンリーポリクローナル抗体-AlexaFluo488 | Thermo Scientific | A21206 | 希釈 1:300 |
| ブロッキング溶液を使用 (ブロッキング One) | Nacalai Tesque, Kyoto, Japan | 03953-95 | |
| コラゲナーゼ | 富士フイルム和光ケミカル株式会社 宮崎県宮崎 | 034-22363 | |
| 共焦点レーザー顕微鏡 | Carl Zeiss Inc., オーバーコッヘン, ドイツ | LSM510 META | |
| DNase I | Sigma-Aldrich | DN25 | |
| FACS Aria III | Becton Dickinson, Franklin Lakes, NJ, USA | ||
| シ胎児血清 | BioWest, FL, USA | S1820-500 | |
| 微細移動装置(マイクロマニピュレータ) | 株式会社成重(東京) | M-44 | |
| 蛍光顕微鏡 | ニコンインスツルメンツ、東京、日本 | Eclipse Ti2 | |
| ゼラチン | Sigma-Aldrich | G9382 | PBS (-) に 10% 溶解し、オートクレーブ滅菌 |
| 新生児 Sprague-Dawley (SD) ラット | 日本 SLC Inc., 静岡, 日本 | 0–生後2日 | |
| 非接着性96ウェルプレート(スフェロイドプレート) | 住友ベークライト、東京、日本 | MS-0096S | |
| 最適切断温度(OCT)コンパウンド | Sakura Finetek USA, Inc., CA, USA | Tissue-Tek OCT compound | |
| 蠕動ポンプ (冷却システム用) | As One Co., Osaka, Japan | SMP-23AS | |
| PKH26 | Sigma-Aldrich | PKH26GL | |
| 攪拌子、マイクロ、磁気、PTFE、長さ x 直径 (mm): 5 x 2 | Chemglass life sciences LLC, NJ, USA | CG-2003-120 | |
| syringe | 伊藤製作所 | MS-N25 | |
| シリンジポンプ リモコン付き | 株式会社アズワン (大阪) | MR-1, CT-10 | |
| テトラメチルローダミンメチルエステル | サーモフィッシャーサイエンティフィック マサチューセッツ州ウォルサム 米国 | T668 | |
| トリプシン | DIFCO, Becton Dickinson, Franklin Lakes, NJ, USA | 215240 | |
| Tween-20 | 富士フイルム 和光化学工業 (株), 宮崎県,日本 | 167-11515 | |
| 医軟膏 | フジタ薬品工業(株) | ひびくす軟膏 #WAK-95832 | |
| Vevo 2100 Imaging System | Fujifilm VisualSonics, Inc., Toronto, Canada | Vevo 2100 | |
| Vevo 2100 Imaging System software version 1.0.0 | Fujifilm VisualSonics, Inc., Toronto, Canada | Vevo 2100 | |
| 眼糸付き弱湾曲針 | 夏目製作所 (株 | C7-70 |
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