多層勾配MgO/MgCO₃/PCLナノファイバー膜を用いた末梢神経再生に関する研究

学術的背景

末梢神経欠損は臨床において一般的な複雑な整形外科的問題であり、既存の治療法の効果は限定的です。神経足場内におけるシュワン細胞（Schwann cells）の増殖不足と機能障害は、神経修復効果に影響を与える重要な要因です。マグネシウムイオン（Mg²⁺）は末梢神経再生において重要な役割を果たしますが、従来のマグネシウム含有生体材料ではマグネシウムイオンの放出が速すぎるため、神経再生の中後期において持続的な効果を発揮することが困難でした。さらに、マグネシウム含有神経足場が末梢神経再生を調節する分子メカニズムは未だ明確ではありません。したがって、マグネシウムイオンを持続的に放出できる神経足場材料を開発し、その作用メカニズムを解明することは、末梢神経修復効果を向上させる上で極めて重要です。

論文の出所

本論文はZhi Yao、Ziyu Chen、Xuan Heら複数の著者によって共同で執筆され、著者らは北京大学深セン病院、香港中文大学など複数の機関に所属しています。論文は2024年11月8日に学術誌『Advanced Fiber Materials』（2025年第7巻、315-337ページ）にオンライン掲載され、タイトルは「Bioactive MgO/MgCO₃/Polycaprolactone Multi-Gradient Fibers Facilitate Peripheral Nerve Regeneration by Regulating Schwann Cell Function and Activating Wingless/Integrase-1 Signaling」です。

研究の流れと結果

1. 研究デザイン

本研究では、エレクトロスピニング技術を用いてMgO/MgCO₃/ポリカプロラクトン（PCL）の多層勾配ナノファイバー膜を製造し、MgOとMgCO₃の比率と濃度を調整することでマグネシウムイオンの持続的放出を実現することを目的としています。研究は以下のステップで構成されています： - 材料の作成：PCLと異なる比率のMgOおよびMgCO₃を混合し、エレクトロスピニング技術を用いて三層構造のナノファイバー膜を作成。 - in vitro実験：走査型電子顕微鏡（SEM）を用いて繊維構造を分析し、マグネシウムイオンの放出曲線を測定。さらに、細胞培養実験を行い、材料がシュワン細胞の増殖と移動に与える影響を評価。 - 動物実験：作成した多層勾配繊維を3DプリントされたPCL神経コンダイトと組み合わせ、ラットの10mm坐骨神経欠損モデルに移植し、神経再生効果を評価。

2. 材料の作成と特性評価

研究では、MgOとMgCO₃の比率を調整することで、三つの異なる濃度の多層勾配ナノファイバー膜（10%、20%、30% MgO/MgCO₃/PCL）を成功裏に作成しました。実験結果から、10% MgO/MgCO₃/PCL群が6週間にわたって最も安定かつ効果的なマグネシウムイオン放出を示しました。SEM分析により、繊維直径は126.8 nmから253.6 nmの範囲であり、繊維表面にはMgO/MgCO₃ナノ粒子が分布していることが確認されました。接触角試験では、材料の表面潤湿性が各群間で有意な差を示さず、マグネシウムイオンの放出が神経再生を促進する主要なメカニズムであることが示されました。

3. in vitro実験

in vitro実験では、まず背根神経節（DRG）培養を用いてマグネシウムイオンが神経突起の成長を促進する効果を評価しました。その結果、10 mMおよび20 mMのマグネシウムイオンがDRG神経突起の延伸を著しく促進することが明らかになりました。さらに、原代シュワン細胞培養を用いた研究では、マグネシウムイオンがシュワン細胞の増殖と表現型変換を促進し、修復型シュワン細胞（Reparative Schwann Cells, RSCs）への転換を促すことがわかりました。遺伝子発現分析では、マグネシウムイオンがNetrinsやEphrinsなどの軸索誘導分子やNGF、BDNFなどの神経栄養因子の発現を上昇させることが示されました。

4. 動物実験

ラット坐骨神経欠損モデルにおいて、多層勾配繊維をPCL神経コンダイトと組み合わせて欠損部位に移植しました。術後6週間および12週間の評価では、10% MgO/MgCO₃/PCL群が最も優れた神経再生効果を示し、軸索再生、髄鞘再生、および筋再神経化が顕著に改善されました。組織学的染色および透過型電子顕微鏡（TEM）分析により、10% MgO/MgCO₃/PCL群が髄鞘の厚さと軸索数において他の群を上回ることが確認されました。

5. 分子メカニズムの研究

トランスクリプトームシーケンシングおよびウェスタンブロット分析により、マグネシウムイオンがWntシグナル経路を活性化することでシュワン細胞の機能を調節することが明らかになりました。具体的には、マグネシウムイオンがWnt5a、β-catenin、およびCREBの発現を上昇させ、シュワン細胞の増殖と移動を促進しました。さらに、マグネシウムイオンはカルシウムイオン（Ca²⁺）の流入を抑制することでWnt/Ca²⁺経路の活性を弱め、Wnt/β-cateninシグナル経路の作用をさらに強化しました。

結論と意義

本研究では、MgO/MgCO₃/PCL多層勾配ナノファイバー膜に基づく神経足場材料を開発し、マグネシウムイオンの制御された放出を実現し、ラット坐骨神経欠損モデルにおいて顕著な神経再生を促進しました。研究により、マグネシウムイオンがWntシグナル経路を介してシュワン細胞の機能を調節する分子メカニズムが明らかになり、マグネシウム含有神経足場の臨床応用に向けた重要な理論的基盤が提供されました。この材料は、低コストで効率的、かつ広範な適応性を持つなどの利点があり、神経系疾患の治療におけるマグネシウム含有生体材料の大きな可能性を示しています。

研究のハイライト

1. 革新的な材料設計：MgOとMgCO₃の比率を調整することで、マグネシウムイオンの制御された放出を実現し、従来のマグネシウム含有材料の放出速度が速すぎる問題を解決。
2. 包括的なメカニズム研究：初めてマグネシウムイオンがWntシグナル経路を介してシュワン細胞の機能を調節する分子メカニズムを解明。
3. 顕著な神経再生効果：動物モデルにおいて、10% MgO/MgCO₃/PCL群が最も優れた神経再生効果を示し、臨床応用を強く支持。

その他の価値ある情報

本研究の限界は、神経再生の局所的な微小環境における実際のマグネシウムイオン濃度を検出できなかったことにあります。今後の研究では、材料設計をさらに最適化し、薬物や細胞などの活性成分を組み合わせることで、マグネシウム含有神経足場の治療効果をさらに向上させることが期待されます。