軍事医療用の圧電ヒドロゲル組織工学足場における免疫調節機能、血管新生機能、骨形成機能の融合

軍事医学研究第 10 巻、記事番号: 35 (2023) この記事を引用

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草の根部隊における骨関連の負傷のほとんどは、訓練または偶発的な負傷によって引き起こされます。 あらゆる種類の外傷を軽減し、草の根部隊の戦闘能力を向上させる予防措置を確立するには、骨の再生を促進するための新しい戦略と足場を開発することが不可欠です。

この研究では、ポリドーパミン (PDA) 修飾セラミック ハイドロキシアパタイト (PDA-ヒドロキシアパタイト、PHA) および PDA 修飾チタン酸バリウム (PDA-BaTiO3、PBT) ナノ粒子をキトサン/ゼラチン (Cs) に組み込むことにより、多孔質圧電ハイドロゲル骨足場を作製しました。 /ゲル）マトリックス。 0 ～ 10 wt% PBT を含む Cs/ゲル/PHA 足場の物理的および化学的特性が分析されました。 インビトロおよびインビボでの圧電ヒドロゲル足場の免疫調節、血管新生、および骨形成能力を特徴付けるために、細胞および動物の実験が行われました。

BaTiO3 を足場に組み込むと、その機械的特性が向上し、自己生成電力が増加しました。 内因性の圧電刺激と生物活性成分により、調製されたままの Cs/ゲル/PHA/PBT ハイドロゲルは細胞適合性だけでなく、免疫調節能力、血管新生能力、骨形成能力も示しました。 これらは、マクロファージのM2表現型への極性化を効果的に誘導しただけでなく、ヒト臍帯静脈内皮細胞（HUVEC）の遊走、管形成、血管新生分化を促進し、MC3T3の遊走、骨分化、細胞外マトリックス（ECM）の石灰化を促進した。 E1セル。 in vivo 評価では、多用途の機能を備えたこれらの圧電ハイドロゲルが、ラットの大型頭蓋損傷モデルにおける新骨形成を大幅に促進することが示されました。 トランスクリプトーム配列解析によって示されるように、根底にある分子機構は部分的に Cs/ゲル/PHA/PBT ハイドロゲルの免疫調節に起因する可能性があり、PI3K/Akt シグナル伝達軸はマクロファージ M2 極性の制御に重要な役割を果たしています。

ここで開発された、有利な免疫調節、血管新生、および骨形成機能を備えた圧電性 Cs/ゲル/PHA/PBT ハイドロゲルは、骨膜損傷の代替品として使用できる可能性があり、それにより、戦闘効果を高めるために骨組織工学に圧電刺激を適用する新しい戦略を提供する可能性があります。草の根部隊で。

病気に加えて、訓練中の負傷や事故による負傷も、非戦時における草の根部隊の非戦闘員削減の重要な原因となっている。 全負傷のうち、70.3% がトレーニング中の負傷で、29.7% がトレーニング以外の負傷でした。 骨関連の損傷の合計 66.6% は、そのようなトレーニングと偶発的な損傷によって引き起こされました [1、2]。 あらゆる種類の外傷を軽減し、草の根部隊の戦闘能力を向上させる予防措置を確立するには、骨損傷の修復を促進する新薬と足場を開発することが不可欠です[3、4]。 骨損傷の治癒は、制御不能で持続的な炎症、骨形成/血管新生の阻害による酸素供給の中断、および活性酸素種 (ROS) 過負荷のリスクがあるため、非常に困難です[5]。 骨再生のための微小環境を提供できる骨組織工学足場材料の使用は、骨再生をサポートする効果的な代替戦略です [6]。 現在、多くの骨組織工学足場の効果は自家骨移植の効果に近く[7]、電気刺激などの多くの新しい方法が難治性骨組織工学の分野に導入されています[8]。 ただし、これらのテクノロジーの組み合わせを最適化することは依然として困難です。

多くの報告は、電気微小環境が骨損傷の修復に重要な役割を果たす可能性があることを示しています[9、10]。 さらに、体内の電気シグナル伝達は、移動、食作用活性、サイトカイン産生などのマクロファージの挙動を調節することができます[11]。 頻繁に使用される生理活性高分子やナノ分子の組み込みに加えて、急成長する研究により、力学、電気、磁気を含む複数の生理学的合図が、骨関連の細胞の挙動や細胞成熟事象に影響を与えることにより、骨再生の新たな可能性を示すことが判明しました [12] 。 たとえば、骨組織自体は圧電性であり、身体の機械的活動に応答して自己発電し、骨細胞の代謝と増殖を調節することができます[13]。 ポリ-L-乳酸、コラーゲン、シルク、ニオブ酸カリウムナトリウムなどの圧電生体材料は、生理学的電気微小環境を出力し、代謝活動の増強に重要な役割を果たすことができます[14、15]。 重要なのは、70 年前に骨の生体電気特性が発見されて以来、臨床電気刺激療法が骨の治癒と脊椎固定を促進する能力を示してきたことです [16]。 最近、in vitro 電気刺激は、骨形成細胞 (骨間葉幹細胞、骨前駆細胞、骨芽細胞、内皮細胞) の増殖、遊走、分化にプラスの効果をもたらすことが示されました [17]。 電気刺激が骨形成を促進するメカニズムとしては、骨芽細胞関連の細胞内 Ca2+ 濃度の上方制御、電位依存性 Ca2+ チャネルの一次開口、カルモジュリンシグナル伝達経路の上方制御による骨形成の促進などが考えられます [18]。