骨由来のECMをマクロポーラスマイクロリボンスキャフォールドに組み込んで骨再生を加速

2025-02-05 Wed
骨由来細胞外マトリックス（Bone-Derived ECM）を大孔径マイクロリボンスキャフォールドに組み込むことで骨再生を加速する研究報告バイオメディカル分野の継続的な進展に伴い、組織工学および再生医療のさまざまな組織修復への応用がますます重要になってきています。しかし、骨組織再生に関する研究は依然として多くの課題に直面しています。骨損傷とその再生能力の不足は現代医学が早急に解決すべき問題であり、特に老齢化や特定の疾患によって骨再生能力が著しく低下した場合（骨欠損や外傷など）にはこの問題が顕著になります。臨界サイズ骨欠損（Critical-Sized Bone Defects）は、自力で治癒することができない骨損傷の一種であり、現在の一般的な治療法として自家骨または他家骨移植が挙げられます。しかし、この治療法にはドナー組織の供給制限、ドナー部位の疾患リスク、および免疫原性などの問題が伴います。そのため、骨の細胞外基質環境を模倣し、骨再生を促進する革新的な材料の開発が重要な科学的課題となっています。
以上の背景を踏まえ、本報告は大孔径のマイクロリボンスキャフォールド（Macroporous Microribbon Scaffolds, 以下μRB）を開発し、骨由来の細胞外マトリックス（Bone-Derived ECM, 以下BECM）を組み合わせることにより、骨組織の再生を加速させる研究に焦点を当てています。本研究はStanford University School of MedicineのCassandra Villicana、Ni Su、Andrew Yangらによって実施され、Advanced Healthcare Materials誌に掲載されました。その研究は、BECMを大孔径のスキャフォールドに統合することで、骨組織修復効果を著しく向上させ、血管新生を促進できることを示しています。
研究の概要と目的背景と課題組織由来細胞外マトリックス（Tissue-Derived Extracellular Matrix, 以下TDECM）は、生物材料として広く応用されており、その高度なバイオミミック特性によって体内での再生免疫反応を誘導することができます。現在では軟組織再生に幅広く用いられています。しかし、現存するTDECM材料の多くが、ナノポーラス構造（Nanoporous Structure）であり、浸透性と細胞浸潤の制限が硬組織（例えば骨組織）の再生応用を妨げています。一方で、大孔性（Macroporosity）は細胞の浸潤や骨形成を加速させるのに極めて重要です。しかし、大孔性の特性をECMベースのハイドロゲルに組み込む戦略は不足しており、特に骨修復においての応用は遅れています。さらに、BECM単体の性能は効率的な骨再生を支えるには不十分です。
そのため、本研究では新しい共スピニング技術（Co-Spinning Technique）を通じて骨由来細胞外マトリックスをゼラチン基マイクロリボンスキャフォールドと組み合わせ、その材料組成を最適化し、より効率的な骨再生効果を実現することを目的としています。
研究プロセス本研究は以下のプロセスで進められました：
1. BECMの分離と特性分析既存の脱細胞化プロトコルに従い、子牛脛骨（Bovine Tibiae）の海綿骨部分を処理し、脱細胞骨マトリックス（BECM）を得ました。

- 主に確認された成分：Picogreen DNA Assayを用いて核残存物を定量分析し、血液学および組織学染色（H&E）を行いました。BECMの主なタンパク質成分はコラーゲン（Collagen）であり、その他の非コラーゲンタンパク質や細胞外マトリックス調節因子も含まれていました。

- 質量分析（Mass Spectrometry）を用いて確認されたところ、BECM内の主要な生物学的機能タンパク質が内軟骨性骨化（Endochondral Bone Morphogenesis）を強化できることが判明し、骨再生において大きな可能性を持っていることが示されました。
2. BECMとμRBスキャフォールドとの結合および特性最適化湿式スピニングを基にした共スピニング技術（Adapted Co-Spinning Method）を用い、異なる重量比BECM（0%、15%、25%、50%）をメタクリル基ゼラチン（GelMA）溶液と混合し、マイクロリボン形状に加工しました。その後、三次元大孔スキャフォールドに組み立てました。

- スキャフォールド形態およびBECM分布：共焦点顕微鏡（Confocal Imaging）および走査型電子顕微鏡（SEM）を用いて形状を可視化した結果、BECMが均一に分布していることが確認され、15%-25%の範囲でBECMの結合効果が最も良好であるとわかりました。

- 機械的および物理的性能のテスト：さらに行われた力学分析では、BECMが25%以下の割合ではスキャフォールドの剛性（Modulus）に大きな影響を与えませんが、50%になると剛性が顕著に低下し、スキャフォールドの安定性が減少することが確認されました。
3. 体外性能テスト：MSCの骨形成能の分析BECMが骨形成を促進する効果を検証するため、小鼠の間葉系幹細胞（MSC）をスキャフォールドに包埋し、4週間培養しました。

- 早期および後期骨形成マーカー：初期骨形成の主要指標であるRUNX2の免疫蛍光染色により、15%BECMグループがその発現を有意に上昇させることが示されました。また、鉱化レベルのアリザリンレッド染色（ARS Staining）も、骨膜形成において15%グループが他のグループよりも優れていることを確認しました。

- 骨細胞基質の増加：Masson Trichrome染色から、15%BECMスキャフォールドが細胞外マトリックスの沈着と骨細胞生成を最も促進していることが示されました。
4. 体外骨形成能の強化：微量TCP粒子の添加さらに、規定量（0.5%）のTCP粒子をスキャフォールドに添加し、調節効果の向上を研究しました。体外データによれば、TCPを組み込んだスキャフォールドはMSCのRUNX2および成熟期骨タンパク質（Osteocalcin, OCN）の発現をより顕著に促進し、15%BECMグループが依然として最良の結果を示しました。
5. 体内実験：小鼠頭蓋骨欠損モデルでの内因性修復小鼠の臨界サイズ頭蓋骨欠損モデル（Critical-Sized Cranial Bone Defect Model）を用いて、BECM-μRBスキャフォールドの内因性骨再生促進作用を評価しました。microCT画像観察によれば、15%BECMとTCP粒子を組み合わせた場合、第2週時点で欠損の55%を効果的に充填し、新生骨の骨密度（Bone Mineral Density, BMD）も有意に向上しました。さらに、15%グループでは最高レベルの血管新生（CD31免疫染色）が確認されました。
6. 免疫調節とマクロファージ表現型の影響最後に、BECMがマクロファージ（Macrophages, M𝜓ϕ）の免疫応答をどのように調整するかを探りました。スキャフォールドが体内に1週間移植された結果、15%-25%のBECMグループで炎症性M1表現型の割合（CD86+）が有意に低下し、骨組織修復において再生性免疫環境が向上していることが示されました。
研究成果と発見BECMとGelMAマイクロリボンスキャフォールドを組み合わせた新しい大孔径バイオ素材が成功裏に開発され、スキャフォールド内の最適なBECM含有量（15%-25%）がその機械的、物理的、生物学的性能および骨再生の効果を著しく向上させることが判明しました。

TCP粒子の適量併用はBECMスキャフォールドの骨形成効果をさらに高め、鉱化cueが骨再生治療に不可欠であることを実証しました。

環境免疫において、BECMスキャフォールドはマクロファージの表現型反応を調整し、骨再生に有利な条件を提供しました。
意義と貢献本研究は硬組織再生、特に臨界サイズ骨欠損分野における新たな効率的プラットフォームを提供しました。

マイクロリボンスキャフォールドの高度にモジュール化された特性により、他種のTDECMを同様の構造へ統合することが可能となり、今後、軟骨や筋肉などの組織再生分野での応用が期待されます。

外因性細胞や成長因子を用いない場合でも、BECMとTCP粒子を組み合わせることで、顕著な骨再生が実現し、臨床応用の複雑性とコストを削減できることが証明されました。
ハイライト初創的なBECM共スピニング技術が大孔径スキャフォールドに初めて応用されました。

Minimally Invasive Scaffolds（μRB） と多要因の結合刺激が骨修復分野における新たな可能性を示しました。

骨免疫微環境の調整と組織内因性治癒メカニズムに関する新たな洞察を提供しました。
本研究は骨組織工学分野において、非常に高い実用価値と科学的意義を持ち、将来の多種類組織再生材料の発展に重要な参考資料を提供しました。