3Dバイオプリンティングによる皮膚再生用デルマルスキャフォールド

学術的背景

皮膚は人体最大の器官であり、外界からの損傷や微生物の侵入を防ぐ重要な機能を担っています。しかし、皮膚が広範囲に損傷を受けた場合、その自己修復能力は限られており、瘢痕形成や炎症反応などの問題を引き起こし、皮膚の正常な形態や機能に影響を与えることがあります。従来の皮膚代替品（フィルム、ハイドロゲル、ナノファイバー膜など）は傷の治癒を促進することができますが、健康な皮膚の微小環境を完全に模倣することはできず、修復後の皮膚は形態や機能において正常な皮膚と差異が生じます。近年、三次元（3D）バイオプリンティング技術は、生体材料や細胞の堆積を精密に制御し、複雑な3D構造を構築できることから、皮膚組織工学の分野で注目を集めています。

本研究では、抗菌、抗炎症、細胞増殖促進機能を備えた皮膚スキャフォールドをデジタルライトプロセッシング（Digital Light Processing, DLP）技術を用いてプリントするための新しいバイオインク（bioink）の開発を目指し、全層皮膚欠損の治癒プロセスを加速することを目的としています。

論文の出典

本論文は、Lu Han、Zixian Liu、Meng Li、Zhizhong Shen、Jianming Wang、Shengbo Sangによって共同執筆され、著者らはTaiyuan University of Technology、Shanxi-Zheda Institute of Advanced Materials and Chemical Engineering、General Hospital of Tiscoなどの機関に所属しています。論文は2024年12月27日にBio-design and Manufacturing誌にオンライン掲載され、DOIは10.1631/bdm.2400058です。

研究のプロセスと結果

1. バイオインクの調製と特性評価

本研究では、メタクリル化ゼラチン（GelMA）とキトサンオリゴ糖（Chitosan Oligosaccharide, COS）からなる複合バイオインクを開発しました。GelMAは光架橋性ハイドロゲルであり、優れた生体適合性と調整可能な物理化学的特性を持っています。一方、COSは抗菌、抗炎症、細胞増殖促進機能を有しています。研究チームはまずGelMAを合成し、異なる濃度のCOSと混合して、4種類の異なる比率のバイオインク（G10C0、G10C1、G10C3、G10C6）を調製しました。

フーリエ変換赤外分光法（FTIR）による分析により、GelMA/COSハイドロゲルの化学構造が確認され、COS濃度の増加に伴いハイドロゲルの架橋密度が低下し、吸水能力と分解速度が増加することが明らかになりました。また、圧縮試験では、COSの導入によりハイドロゲルの弾性が向上しましたが、圧縮弾性率は低下しました。走査型電子顕微鏡（SEM）による観察では、ハイドロゲル内部に多孔質で相互接続された微細構造が確認され、COS濃度の増加に伴い孔径が減少し、孔隙率が増加することが示されました。

2. 抗菌性能の評価

GelMA/COSハイドロゲルの抗菌性能を評価するため、黄色ブドウ球菌（Staphylococcus aureus, S. aureus）と大腸菌（Escherichia coli, E. coli）を用いた表面抗菌実験が行われました。実験結果から、COS濃度の増加に伴い、ハイドロゲルは両細菌に対する抑制率を向上させ、最高抑制率はそれぞれ94％と95％に達しました。これは、COSが細菌の細胞膜上の負電荷基団と結合し、細胞膜構造を破壊することで抗菌作用を発揮するためです。

3. 細胞適合性の研究

研究チームは、ヒト真皮線維芽細胞（Human Dermal Fibroblasts, HDFs）をGelMA/COSハイドロゲルに播種し、細胞の増殖、生存、形態を評価しました。CCK-8実験では、COS濃度の増加に伴いHDFsの増殖能力が著しく向上しました。また、生細胞/死細胞染色実験では、すべてのハイドロゲルにおいて細胞生存率が高く、細胞形態も良好であることが確認されました。さらに、免疫蛍光染色および定量PCR（qPCR）分析により、COSの添加が線維化関連遺伝子（コラーゲンI、コラーゲンIII、フィブロネクチンIなど）の発現を抑制し、瘢痕形成を減少させることが示されました。

4. DLPプリンティングによる皮膚スキャフォールドの作成

研究チームは、DLPプリンターを使用してG10C1バイオインクをグリッド状構造にプリントし、細胞を搭載した皮膚スキャフォールドを構築しました。SEM観察により、スキャフォールド内部に均一に分布した孔隙構造が確認され、細胞の移動や栄養交換を促進することが示されました。生細胞/死細胞染色および免疫蛍光染色の結果から、プリント後の細胞生存率が高く、HDFsがスキャフォールドの孔隙に沿って成長し、細胞外マトリックス（ECM）タンパク質を分泌することが明らかになりました。

5. 体内実験

皮膚スキャフォールドの創傷治癒効果を評価するため、研究チームはヌードマウスの背部に全層皮膚欠損モデルを作成し、細胞を搭載したスキャフォールドを創傷部に移植しました。実験結果から、細胞を搭載したスキャフォールドは創傷閉鎖を著しく促進し、炎症反応を減少させ、血管新生を促進することが示されました。組織学的分析では、スキャフォールド群の創傷部においてコラーゲン沈着がより秩序立っており、瘢痕形成が少ないことが確認されました。さらに、免疫組織化学染色により、スキャフォールド群の創傷部では炎症因子（TNF-αなど）の発現が低く、血管新生マーカー（CD31およびα-SMA）の発現が高いことが示されました。

結論と意義

本研究では、GelMA/COSを基盤とした複合バイオインクを開発し、DLP技術を用いて細胞を搭載した皮膚スキャフォールドを迅速に構築することに成功しました。このスキャフォールドは、優れた吸水性能、分解性能、機械的特性、細胞適合性を有し、顕著な抗菌活性も示しました。体内実験により、このスキャフォールドが創傷閉鎖を加速し、炎症反応を減少させ、血管新生を促進し、創傷治癒を改善することが確認されました。

本研究成果の学術的価値は、天然の皮膚の構造と機能を精密に模倣する新しいバイオインクの処方と3Dプリンティング技術を提供し、全層皮膚欠損の治療に新たなアプローチを提示した点にあります。その応用的価値は、このスキャフォールドが製造が容易で、優れた生体適合性と抗菌性能を有し、臨床現場での皮膚組織再生に応用可能である点にあります。

研究のハイライト

1. 新しいバイオインク：GelMA/COS複合バイオインクは、優れた生体適合性、抗菌性能、調整可能な物理化学的特性を有しています。
2. DLPプリンティング技術：DLP技術を用いて高解像度かつ高細胞生存率の3Dプリンティングを実現し、複雑な構造を持つ皮膚スキャフォールドを構築しました。
3. 体内実験による検証：ヌードマウスモデルを用いて、スキャフォールドが創傷治癒の促進、炎症の軽減、血管新生の促進において顕著な効果を示すことを確認しました。

その他の価値ある情報

本研究の限界として、ヌードマウスモデルでは良好な結果が得られましたが、マウスとヒトの創傷治癒プロセスには大きな違いがあるため、今後はより大型の動物モデル（例えばブタモデル）を用いてその適用性と再生効果をさらに検証する必要があります。