光架橋可能なヒト羊膜ヒドロゲルを用いた脊髄損傷回復の研究

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脊髄損傷 神経再生 ヒト脱細胞羊膜 複合ヒドロゲル 生物材料

光架橋ヒト羊膜ハイドロゲルを用いた脊髄損傷修復

学術的背景

脊髄損傷（Spinal Cord Injury, SCI）は、重篤な神経疾患であり、患者の運動機能喪失や生活の質の低下を引き起こすことが多い。近年、組織工学と再生医学が著しい進歩を遂げているが、脊髄損傷後の機能回復は依然として世界的な課題である。主な問題は、損傷部位での新しい軸索の再生が困難であり、瘢痕組織の形成が神経修復を阻害することにある。ヒト羊膜（Human Amniotic Membrane, HAM）は、神経成長の保護、瘢痕形成の抑制、および新生血管形成の促進といった利点を持つ生体材料であるが、その弱い物理的特性が脊髄損傷治療への応用を制限している。

この問題を解決するため、研究者らは化学修飾と光架橋技術を用いてヒト羊膜の機械的特性を強化しつつ、その生物活性を保持することを試みた。本研究では、ヒト羊膜を脱細胞化し、メタクリル酸無水物（Methacrylic Anhydride, MA）と化学的に接合し、さらにゼラチンメタクリレート（Gelatin Methacrylate, GelMA）と光架橋することで、脊髄損傷修復のための新しい複合ハイドロゲル支架を開発した。

論文の出典

本論文は、Tao Xu、Changwei Yang、Yang Lu、Heng Wang、Cheng Chen、Yuchen Zhou、およびXiaoqing Chenによって共同執筆され、著者全員が南通大学医学部附属病院脊柱外科に所属している。論文は2024年11月12日に『Bio-design and Manufacturing』誌にオンライン掲載され、DOIは10.1007/s42242-024-00318-xである。

研究の流れ

1. ヒト羊膜の脱細胞化と化学修飾

まず、研究者らは南通大学附属病院の産科から新鮮なヒト羊膜を取得し、リン酸緩衝生理食塩水（PBS）で洗浄した後、凍結融解サイクル処理を行い、続いてトリプシン-EDTA溶液で12時間処理し、上皮細胞を除去して脱細胞化ヒト羊膜（Human Acellular Amniotic Membrane, HAAM）を得た。その後、HAAMをメタクリル酸無水物（MA）と化学的に接合し、HAAM-MA複合体を形成した。赤外分光法（FTIR）を用いて、MAの接合が成功したことを確認した。

2. GelMA-HAAM-MA複合ハイドロゲルの作製

凍結乾燥したGelMAをPBSに溶解し、70°Cに加熱して完全に溶解させた後、HAAM-MAと光開始剤であるリチウムフェニル（2,4,6-トリメチルベンゾイル）ホスフィネートを加え、紫外線（395-480 nm）照射下で光架橋を行い、2 mm厚のゲルを形成した。走査型電子顕微鏡（SEM）による観察では、GelMA-HAAM-MA複合ハイドロゲルは均一な孔隙構造を持ち、平均孔径は26±9 µmであり、神経細胞の成長と移動に適していることが確認された。

3. 複合ハイドロゲルの機械的特性と分解性の評価

研究者らは、HAAM、HAAM-MA、GelMA、およびGelMA-HAAM-MAの4種類の材料に対して機械的引張試験を行った。その結果、GelMA-HAAM-MAの最大負荷値は4.18±0.06 MPa、弾性率は19.69±0.52 MPaであり、他の材料よりも優れていることが示された。さらに、GelMA-HAAM-MAは15日以内に完全に分解し、分解速度は適度であり、脊髄損傷修復に適していることが確認された。

4. 体外細胞実験

研究者らは、新生SDラットから神経細胞を抽出し、GelMA-HAAM-MA複合ハイドロゲルと共培養した。その結果、複合ハイドロゲルは神経細胞の活性を維持し、低栄養環境下でも神経細胞の生存率を著しく向上させることが示された。さらに、複合ハイドロゲルはヒト臍帯静脈内皮細胞（HUVECs）の増殖と移動を促進し、良好な血管形成能力を示した。

5. 体内動物実験

SDラットの脊髄損傷モデルにおいて、研究者らはGelMA-HAAM-MA複合ハイドロゲルを損傷部位に移植した。術後4週間で病理切片と免疫蛍光染色を行った結果、複合ハイドロゲルは瘢痕組織の形成を著しく減少させ、新生神経細胞の成長を促進することが確認された。さらに、ラットの運動機能回復スコア（BBBスコア）も著しく向上し、複合ハイドロゲルが脊髄損傷修復において顕著な効果を持つことが示された。

主な結果

  1. HAAM-MAの成功作製：化学的接合により、HAAM-MAはヒト羊膜の生物活性を保持しつつ、機械的特性を強化した。
  2. GelMA-HAAM-MAの優れた機械的特性：複合ハイドロゲルの最大負荷値と弾性率は、純粋なGelMAやHAAMよりも優れており、脊髄損傷部位での長期安定性に適している。
  3. 神経細胞のサポート効果：GelMA-HAAM-MAは神経細胞の活性を維持し、低栄養環境下でも神経細胞の生存率を著しく向上させた。
  4. 血管形成能力：複合ハイドロゲルはHUVECsの増殖と移動を促進し、良好な血管形成能力を示した。
  5. 体内修復効果：SDラットの脊髄損傷モデルにおいて、GelMA-HAAM-MAは瘢痕組織の形成を著しく減少させ、新生神経細胞の成長を促進し、ラットの運動機能回復スコアを著しく向上させた。

結論と意義

本研究では、新しい光架橋GelMA-HAAM-MA複合ハイドロゲルを成功裏に作製した。この材料は、優れた機械的特性を持つだけでなく、脊髄損傷部位の細胞外マトリックス環境を効果的に模倣し、神経再生と血管形成を促進する。体外および体内実験において、複合ハイドロゲルは良好な生体適合性と修復効果を示し、脊髄損傷治療のための有望な生体材料を提供するものである。

研究のハイライト

  1. 革新的な材料設計：化学的接合と光架橋技術を用いて、ヒト羊膜とGelMAを結合し、優れた機械的特性と生物活性を持つ複合ハイドロゲルを作製した。
  2. 多機能の修復効果：複合ハイドロゲルは神経再生を促進するだけでなく、瘢痕形成を抑制し、血管形成を促進する多機能の修復効果を示した。
  3. 顕著な体内修復効果：SDラットの脊髄損傷モデルにおいて、複合ハイドロゲルは運動機能回復スコアを著しく向上させ、臨床応用の可能性を示した。

その他の価値ある情報

本研究の成功は、脊髄損傷修復のための新しいアプローチを提供し、今後は複合ハイドロゲルの分解速度や瘢痕抑制効果をさらに最適化することで、臨床ニーズに応えることができる。また、この材料の作製方法は、他の組織工学材料の開発にも参考となるものである。