β-シートフィブリル化ペプチド駆動型超分子ハイドロゲルを用いた糖尿病創傷治癒の促進

学術的背景

糖尿病創傷治癒は世界的な健康問題であり、糖尿病患者は高血糖による微小血管障害や免疫機能障害のため、創傷治癒プロセスが著しく阻害されることが多い。従来の治療法、例えばコラーゲンや成長因子の使用は一定の効果があるものの、タンパク質が外部環境で不安定であり、急速に分解されるため、治療効果が限られている。そのため、タンパク質を安定して送達し、創傷治癒を促進する新たな材料の開発が研究の焦点となっている。

超分子ハイドロゲルは非共有結合の特性により、タンパク質の生物活性を維持しながらその安定性を向上させることができるため、糖尿病創傷修復の理想的なプラットフォームとなっている。本研究では、β-シートフィブリル化ペプチド（Q11）とβ-テール融合リコンビナントタンパク質を組み合わせることで、新たなタンパク質-ペプチド超分子ハイドロゲルを開発し、タンパク質の安定性と生物活性を向上させることで糖尿病創傷の治癒を促進することを目指した。

論文の出典

本論文は、内モンゴル大学生命科学学院のZhao Guo、Xing Liuらによって共同で執筆され、責任著者はXinyu Liである。論文は2024年12月9日にACS Biomaterials Science & Engineering誌に掲載され、タイトルは「Assembly of Recombinant Proteins into β‑Sheet Fibrillating Peptide-Driven Supramolecular Hydrogels for Enhanced Diabetic Wound Healing」である。

研究のプロセスと結果

1. Q11ペプチドと蛍光タンパク質の組み立ておよび安定性の研究

研究ではまず、β-シート構造を形成するQ11ペプチド（QQKFKFQFEQQ）を設計し、これを2種類のβ-テール融合蛍光タンパク質（GFPおよびmScarlet）と結合させ、β-GFPおよびβ-mScarletを作成した。透過型電子顕微鏡（TEM）による観察により、Q11ペプチドと蛍光タンパク質が組み立てられた後、無秩序な繊維状構造が形成されることが確認された。蛍光顕微鏡および標準カメラ画像により、Q11ペプチドがβ-GFPおよびβ-mScarletの段階的な組み立てを駆動し、組み立てられたハイドロゲルが異なるpHおよび温度条件下でより高い安定性を示すことが明らかになった。

2. コラーゲン様タンパク質とSonic Hedgehog融合タンパク質の構築およびハイドロゲルの調製

Q11ペプチドの組み立て特性に基づき、研究チームはさらにコラーゲン様タンパク質（CLP）とSonic Hedgehog（SHH）を融合させたリコンビナントタンパク質（CLP-SHH）を設計した。チオフラビンT（ThT）染色を用いて組み立て効率を評価した結果、CLP配列の長さが増すにつれて組み立て効率が著しく向上することが確認された。最終的に、CLP3-SHH（C3SH）をQ11ペプチドと組み合わせ、Q11C3SH超分子ハイドロゲルを形成した。このハイドロゲルは優れた注入性を示し、創傷修復アプリケーションに適していることが確認された。

3. ハイドロゲルの細胞適合性および生物活性の評価

研究チームは、NIH-3T3線維芽細胞およびHaCaT角化細胞を用いてQ11C3SHハイドロゲルの細胞適合性を評価した。その結果、1％、3％、および5％濃度のQ11、C3SH、およびQ11C3SHハイドロゲルがすべて細胞生存率を著しく向上させ、特に5％ Q11C3SHハイドロゲルが両細胞の生存率を最も顕著に向上させることが明らかになった。細胞移動実験では、5％ C3SHおよびQ11C3SHハイドロゲルが細胞移動を著しく促進し、これはSHHタンパク質が細胞分化および増殖において重要な役割を果たしているためであると考えられた。

4. 糖尿病マウスモデルにおける創傷治癒実験

研究チームは、ストレプトゾトシン（STZ）誘導糖尿病マウスモデルを用いてQ11C3SHハイドロゲルの創傷治癒効果を評価した。その結果、対照群と比較してQ11C3SHハイドロゲルが糖尿病マウスの創傷治癒プロセスを著しく加速させることが明らかになった。組織学的分析により、Q11C3SHハイドロゲル処理後の創傷はより厚い表皮層とより多くのコラーゲン沈着を示し、組織リモデリングと再生が促進されていることが確認された。

5. ハイドロゲルによる炎症反応の調節

免疫蛍光およびウェスタンブロット分析により、研究チームはQ11C3SHハイドロゲルが創傷治癒に関連する主要なタンパク質（COL-1α、CK-14、α-SMAなど）の発現を著しく増加させ、同時に炎症性サイトカインIL-6およびTNF-αのレベルを低下させることを発見した。これは、Q11C3SHハイドロゲルが組織再生を促進するだけでなく、炎症反応を軽減することで創傷治癒のためのより有利な環境を作り出していることを示している。

結論と意義

本研究では、Q11ペプチド駆動型超分子ハイドロゲルを開発し、コラーゲン様タンパク質とSonic Hedgehog融合タンパク質を組み立てることで、タンパク質の安定性と生物活性を著しく向上させた。このハイドロゲルは糖尿病マウスモデルにおいて優れた創傷治癒効果を示し、創傷閉鎖を加速するだけでなく、表皮再生およびコラーゲン沈着を促進した。さらに、ハイドロゲルは炎症反応を調節することで、糖尿病創傷の治癒環境をさらに改善した。

研究のハイライト

1. 革新的な組み立て戦略：Q11ペプチド駆動型の非共有結合戦略により、タンパク質がその天然の折り畳みと生物活性を維持しながら、正確な比率制御が可能となった。
2. 多機能ハイドロゲル：Q11C3SHハイドロゲルは優れた注入性と安定性を有するだけでなく、炎症反応の調節および細胞移動の促進により、糖尿病創傷の治癒を著しく加速する。
3. 臨床応用の可能性：このハイドロゲルは、糖尿病創傷管理のためのシンプルで経済的かつ効果的な治療戦略を提供し、広範な臨床応用の可能性を秘めている。

その他の価値ある情報

研究チームはさらに、Q11ペプチドが炎症性腸疾患などの他の疾患治療における応用の可能性を探り、炎症マーカー（IL-6およびpNF-κBなど）の発現を減少させることで抗炎症作用を発揮することを発見した。

本研究は、糖尿病創傷修復のための新たな超分子ハイドロゲル材料を提供するだけでなく、タンパク質送達システムの開発に新たな視点と方法を提供するものである。