この研究では、脊髄損傷修復のための脂肪由来幹細胞の再生促進挙動を調査し、活用するために利用できる神経模倣複合ハイドロゲルが開発され、特徴付けられました。
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この研究では、脊髄損傷修復のための脂肪由来幹細胞の再生促進挙動を調査し、活用するために利用できる神経模倣複合ハイドロゲルが開発され、特徴付けられました。
外傷性脊髄損傷 (SCI) は、損傷部位の下に永久的な感覚運動障害を誘発します。米国では約25万人が罹患しており、公衆衛生上の懸念は計り知れません。効果的な治療法を提供するための研究が行われてきました。ただし、SCIは損傷部位の複雑な性質のため、依然として不治の病と考えられています。薬物送達、細胞移植、注射可能な生体材料など、さまざまな戦略が検討されていますが、1つの戦略だけでは再生の有効性が制限されます。そのため、最近、損傷の多面的な特徴を標的とすることができる併用療法が注目を集めています。細胞外マトリックス(ECM)は、SCIの細胞移植の有効性を高める可能性があることが示されています。この目的のために、脱細胞化脊髄(dSC)と坐骨神経(dSN)からなる3Dハイドロゲルを異なる比率で開発し、特性評価しました。dSCおよびdSNの組織学的解析により、細胞および核成分の除去が確認され、脱細胞化後も天然の組織構造が保持されました。その後、複合ハイドロゲルを異なる体積比で作製し、濁度ゲル化速度、機械的特性、および埋め込まれたヒト脂肪由来幹細胞(hASC)の生存率の分析を行いました。ハイドロゲルと脱細胞化脊髄マトリックスの比率の違いにより、機械的特性に有意差は認められませんでした。ゲルに埋め込まれたヒトASCは、14日間の培養を通じて生存率を維持しました。この研究は、神経特異的なECMおよび再生促進性間葉系幹細胞を提示する組織工学的コンビナトリアルハイドロゲルを生成する手段を提供します。このプラットフォームは、SCI後の神経再生戦略と将来の研究に関する新たな洞察を提供することができます。
約296,000人が外傷性SCIに苦しんでおり、毎年約18,000人の新しいSCI症例が米国で発生しています1。外傷性SCIは、一般的に転倒、銃創、車両事故、スポーツ活動によって引き起こされ、多くの場合、損傷部位の下の感覚運動機能の永久的な喪失を引き起こします。SCI治療の推定生涯費用は、個人あたり100万ドルから500万ドルの範囲であり、平均余命は大幅に短くなっています1。しかし、SCIはまだよく理解されておらず、主に損傷後の複雑な病態生理学的結果のために、ほとんどが不治の病です2。細胞移植や生体材料ベースの足場など、さまざまな戦略が研究されています。細胞や生体材料の移植は可能性を示していますが、SCIの多面的な性質は、組み合わせアプローチがより有益である可能性があることを示唆しています3。その結果、多くの組み合わせ戦略が研究され、個々のコンポーネントよりも優れた治療効果が実証されています。しかし、細胞や薬物を送達するための新しい生体材料を提供するためには、さらなる研究が必要です3。
天然ハイドロゲルを作製するための有望なアプローチの1つは、組織の脱細胞化です。脱細胞化のプロセスでは、イオン性、非イオン性、物理的、および組み合わせ的な方法を利用して、ECM成分を維持しながら、すべてまたはほとんどの細胞および核物質を除去します。細胞成分のすべてまたは大部分を除去することにより、ECM由来のハイドロゲルは、移植/注入後の宿主に対する免疫反応性が低くなります4。脱細胞化組織の品質を評価するために測定すべきいくつかのパラメータがあります:細胞/核内容物の除去、機械的特性、ECMの保存。有害な免疫反応を避けるために、次の基準が確立されています:1)ECM乾燥重量mgあたり50 ngの二本鎖DNA(dsDNA)未満、2)DNA断片の長さが200 bp未満、および3)4'6-ジアミジノ-2-フェヌイリンドール(DAPI)5で染色された目に見える核物質がほとんどまたはまったくないこと。機械的特性は、引張試験、圧縮試験、および/またはレオロジー試験によって定量化でき、それらは元の組織6と同様であるべきである。さらに、タンパク質の保存は、脱細胞化組織の主要成分、例えば、ラミニン、グリコサミノグリカン(GAG)、脊髄のコンドロイチン硫酸プロテオグリカン(CSPG)に焦点を当てたプロテオミクスまたは定量アッセイによって評価することができます7,8。検証済みのECM由来ハイドロゲルは、細胞ベースの治療を支援するために、さまざまな種類の細胞で再細胞化することができます9。
SCI修復については、シュワン細胞、嗅覚被覆細胞、骨髄由来間葉系幹細胞(MSC)、神経幹細胞/前駆細胞など、さまざまな細胞タイプが研究されています10,11,12。しかし、これらの細胞の臨床使用は、倫理的な懸念、隣接する細胞/組織とのまばらな統合、高収量のための組織源の欠如、自己更新が不可能であること、および/または増殖能力が限られていることなどにより、制限されている13,14,15。これらの細胞型とは異なり、ヒト脂肪由来MSC(hASC)は、脂肪吸引物を用いて低侵襲的に容易に単離でき、多数の細胞を得ることができるため、魅力的な候補である16。さらに、hASCは、神経保護、血管新生、創傷治癒、組織再生、および免疫抑制の可能性を有する成長因子およびサイトカインを分泌する能力を有する17,18,19,20,21。
説明したように、複数の研究が実施されてきました 22,23,24、そしてそれらから多くのことが学ばれてきましたが、SCIの不均一な特性は、機能回復を促進する上での有効性を制限しています。そのため、SCIの治療効果を高めるために、組み合わせアプローチが提案されています。本研究では、脱細胞化した脊髄と坐骨神経を組み合わせて複合ハイドロゲルを作製し、3次元(3D)hASC培養を行いました。脱細胞化の成功は、組織学的およびDNA分析によって確認され、神経複合ヒドロゲルの異なる比率は、ゲル化速度論および圧縮試験によって特徴付けられました。神経複合ハイドロゲルにおけるhASCの生存率を調査し、このハイドロゲルが3D細胞培養プラットフォームとして利用できることを証明しました。
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ブタの組織は商業的に入手されたため、動物倫理委員会による承認は必要ありませんでした。
1. ブタの脊髄の脱細胞化(推定期間:5日間)
注:以前に確立されたプロトコルを使用して、修飾25,26を使用して脱細胞化を実行します。すべての手順は、特に明記されていない限り、室温の滅菌バイオセーフティキャビネットで行う必要があります。すべての溶液は、ボトルトップフィルター(0.2 μmの細孔サイズ)を使用してオートクレーブ滅菌ボトルに滅菌ろ過する必要があります。37°Cで実施する手順は、インキュベーター内または37°Cに設定された清潔なオーブン内で行うことができます。
2. ブタ坐骨神経の脱細胞化(推定期間:5日間)
注:以前に確立されたプロトコル27を使用して脱細胞化を実行します。すべての手順は、特に明記されていない限り、室温の滅菌バイオセーフティキャビネットで行う必要があります。すべての溶液は、ボトルトップフィルター(0.2 μmの細孔サイズ)を使用してオートクレーブ滅菌ボトルに滅菌ろ過する必要があります。37°Cで実施する手順は、インキュベーター内または37°Cに設定された清潔なオーブン内で行うことができます。
3. 脱細胞化組織の消化と複合ハイドロゲルの作製(所要時間:4日)
4. 脱細胞化の検証
5. 複合ハイドロゲルの特性評価
6. 神経複合ハイドロゲルにおけるヒトASCの三次元培養
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脱細胞化組織は、わずかに変更を加えた以前に確立されたプロトコルを使用して調製されました26,27。脱細胞化、凍結乾燥、消化後、SN:SC = 2:1、1:1、1:2の比率の神経複合ハイドロゲル、および脊髄のみのハイドロゲルを作製しました(図1)。核成分の除去は、H&E染色によって確認されました(図2A)。脱細胞化を定量的に評価するために、ECM内で残留DNAを測定しました。新鮮硬膜のdsDNA含量は132.6 ± 21.3 ng dsDNA/mg乾燥組織であったのに対し、新鮮および脱細胞化脊髄実質は、それぞれ22.6 ± 8.3 ng dsDNA/mg乾燥組織および23.74 ± 6.69 ng dsDNA/mg乾燥組織を含んでいました(図2B)。それは、脱細胞化の前に硬膜を切...
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SCIの病態生理学は複雑で多面的であると広く信じられています。細胞移植、薬物送達、生体材料などの単一の治療法がそれぞれSCIに貴重な洞察を提供してきたにもかかわらず、SCIの複雑な性質は個々の有効性を制限する可能性がある28,29,30,31。そのため、効果的なコンビナトリアル治療薬を開発する取り組みが増加しています。この研究で説明した神経複合ヒドロゲルは、細胞や薬物の効果的な送達手段として機能する可能性があります。細胞に関しては、ASCは細胞移植の有望な候補の1つです。ASCは、インターロイキン-10(IL-10)やトランスフォーミング成長因子ベータ(TGF-β)などの免疫調節因子を分泌するほか、神経成長因子(NGF)、脳由来神経栄養因子(BDNF)、グリア由来神経栄養因子(GDNF)、ニューロトロフィン-3(NT...
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著者は何も開示していません。
この研究は、PhRMA財団と国立衛生研究所によって、YSに授与された賞番号P20GM139768とR15NS121884を通じて支援されました。アーカンソー大学生物医学工学科のKartik Balachandran博士とRaj Rao博士には、彼らの機器の使用を許可してくださったことに感謝します。また、レオメータのトレーニングを提供してくださったアーカンソー大学生物農業工学科のJin-Woo Kim博士とPatrick Kuczwara氏にも感謝します。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 3-(デシルジメチルアンモニオ)プロパンスルホン酸塩 | シグマ・オルドリッチ | D4266 | 坐骨神経脱細胞化、SB-10の際に使用 |
| 3-(N,N-ジメチルパルミティ・アンモニオ)プロパンスルホン酸塩 | シグマ・オルドリッチ | H6883 | 坐骨神経脱細胞化の際に使用されるSB-16 |
| AlamarBlue試薬 | フィッシャー・サイエンティフィック | DAL1100 | AlamaBlueセルビアビルティテストでの使用 |
| コンドロイチナーゼABC | シグマ・オルドリッチ | C3667 | 坐骨神経の細胞脱細胞化時に使用 |
| クライオスタット | ライカ | CM1860 | |
| デオキシリボヌクラエース | シグマ・オルドリッチ | D4263 | 坐骨神経の細胞脱細胞化時に使用 |
| リン酸二ナトリウム リン酸塩七水和物 | VWR | BDH9296 | 100 mM Na/50 mM phosおよび50 mM Na/10 mM phosバッファーの化学物質 |
| DNeasy 血と血ティッシュキット | キアゲン | 69506 | DNA分析時に使用 |
| 組織学用DPXマウントト、スライドマウント培地 | シグマ・オルドリッチ | 6522 | H&で使用されましたE染色 |
| エオシン | シグマ・オルドリッチ | HT110216 | H&で使用されましたE染色 |
| エタノール | VWR | 89125-172 | |
| ホルムアルデヒド | シグマ・オルドリッチ | 252549 | H&で使用されましたE染色 |
| グルターアルデヒド(ジョージア州) | シグマ・オルドリッチ | G6257 | PDMS表面機能化における使用 |
| hASC成長培地 | ロンザ | PT-4505 | 胎児用牛血清およびペニシリン/ストレプトマイシンを含むhASC培養に使用されました |
| ヘマトキシリン | VWR | 26041-06 | H&で使用されましたE染色 |
| ヒト脂肪由来幹細胞 | ロンザ | PT-5006 | |
| 塩酸(HCl) | シグマ・オルドリッチ | 320331 | 脱細胞組織の消化やプレゲル溶液の調整に使用されます |
| M199メディア | シグマ・オルドリッチ | M0650 | プレゲルを希望の濃度まで希釈するために使われます |
| 最適な切削温度化合物 | ティッシュテック | 4583 | |
| ペプシン | シグマ・オルドリッチ | P7000 | 細胞分離組織の消化に使われます |
| 過酢酸 | ラボ・アレー | PAA1001 | 脊髄細胞脱細胞化の際に使用 |
| リン酸塩緩衝生理食塩水(PBS) | VWR | 97062-948 | |
| プレートリーダー | バイオテック・インスツルメンツ | シナジーMx | |
| ポリエチネイミン(PEI) | シグマ・オルドリッチ | 181978 | PDMS表面機能化における使用 |
| 豚の坐骨神経 | ティッシュ・ソースLLC | 生きた豚で、識別可能な情報も追跡性もない | |
| 豚の脊髄 | ティッシュ・ソースLLC | 生きた豚で、識別可能な情報も追跡性もない | |
| QuantiFluor dsDNAシステム | プロメガ | E2670 | DNA成分の解析に使用されます |
| レオメーター | TAインスツルメンツ | DHR 2 | |
| 頑丈な回転子 | グラスコ | 099A RD4512 | 脊髄細胞脱細胞化の際に使用 |
| 塩化ナトリウム(NaCl) | VWR | BDH9286 | 100 mM Na/50 mM phosおよび50 mM Na/10 mM phosバッファーの化学物質 |
| デオキシコール酸ナトリウム | シグマ・オルドリッチ | D6750 | |
| 二水素リン酸ナトリウム一水和物 | VWR | BDH9298 | 100 mM Na/50 mM phosおよび50 mM Na/10 mM phosバッファーの化学物質 |
| 水酸化ナトリウム溶液(NaOH) | シグマ・オルドリッチ | 415443 | プレゲル溶液の調整に使用されます |
| SU-8 | カヤクアドヴナス素材 | SU8-100 | シリコンウェハーのコーティングに使用 |
| 蔗糖 | シグマ・オルドリッチ | S8501 | 脊髄細胞脱細胞化の際に使用 |
| Sylgard 184 シリコーンエラストマーキット | ダウ | 1317318 | ポリジメチルキシロキサン(PDMS)塩基および硬化剤 |
| トライトン X-100 | シグマ・オルドリッチ | X100 | 脊髄細胞脱細胞化の際に使用 |
| トリプシン-EDTA(0.05%)、フェノールレッド | サーモ・フィッシャー | 25300062 | hASCの処理および脊髄脱細胞化の際に使用 |
| チューブリボルバーローテーター | サーモ・フィッシャー | 88881001 | 坐骨神経の細胞脱細胞化時に使用 |
| キシレン | VWR | MK866816 | H&で使用されましたE染色 |
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