ラットモデルにおける体積性筋損失の治療における組織工学スキャフォールドと運動の組み合わせ

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体積性筋損失 ポリカプロラクトン 銀ナノ粒子 脱細胞ヒト羊膜 運動

学術的背景

体積性筋損失（Volumetric Muscle Loss, VML）は、外傷、虚血、または腫瘍切除によって引き起こされる深刻な筋損傷です。VMLは筋線維の不可逆的な損失を引き起こし、線維化、変形、および長期的な機能障害を引き起こします。通常の筋損傷とは異なり、VMLの再生能力は非常に限られており、損傷範囲が筋の自己修復能力を超えています。従来の治療法、例えば物理療法や細胞移植は効果が限られており、筋機能を完全に回復することはできません。そのため、組織工学（Tissue Engineering, TE）技術がVML問題を解決する有望な方法として注目されています。天然または合成の生体材料を使用することで、組織工学スキャフォールドは損傷組織に構造的サポートを提供し、血管化と神経再生を促進し、機能的な組織の再生を助けることができます。

本研究は、銀ナノ粒子（Silver Nanoparticles, AgNPs）を組み込んだポリカプロラクトン（Polycaprolactone, PCL）スキャフォールドと脱細胞ヒト羊膜（Decellularized Human Amniotic Membrane, HAM）スキャフォールドを強制運動トレーニングと組み合わせ、ラットモデルにおけるVMLを治療することを目的としています。この組み合わせ療法を通じて、血管化、神経再生、および筋線維再生を促進し、筋機能を改善することが期待されています。

論文の出典

本論文は、Maryam Zohour Soleimani、Fereshteh Nejaddehbashi、Mahmoud Orazizadeh、Seyed Esmaeil Khoshnam、およびVahid Bayatiによって共同執筆されました。著者らは、イランのAhvaz Jundishapur University of Medical Sciencesの解剖学科、細胞分子研究センター（Cellular and Molecular Research Center, CMRC）、およびペルシャ湾生理学研究センター（Persian Gulf Physiology Research Center）に所属しています。論文は2025年3月31日に受理され、『Bionanoscience』誌に掲載されました。DOIは10.1007/s12668-025-01921-7です。

研究の流れ

1. 材料とスキャフォールドの調製

研究ではまず、PCL/Ag（ポリカプロラクトン/銀ナノ粒子）とPCL/HAM/Ag（ポリカプロラクトン/脱細胞ヒト羊膜/銀ナノ粒子）の2種類のスキャフォールドを調製しました。
- 銀ナノ粒子の合成：化学還元法を用いてAgNPsを合成し、透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscopy, TEM）でそのサイズと形態を評価しました。
- 脱細胞ヒト羊膜の調製：帝王切開手術から得られたヒト羊膜を、複数の凍結融解サイクルと酵素処理を行い、細胞成分を除去し、細胞外マトリックス（Extracellular Matrix, ECM）を残しました。
- スキャフォールドの調製：静電紡糸技術（Electrospinning）を用いてPCL/Agナノファイバーを調製し、HAMと結合させてPCL/HAM/Ag複合スキャフォールドを作成しました。

2. スキャフォールドの特性評価

走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscopy, SEM）および電界放出型走査電子顕微鏡（Field Emission SEM, FE-SEM）を使用して、スキャフォールドの微細構造とファイバーの配列を観察しました。引張試験によりスキャフォールドの機械的特性を評価し、エネルギー分散型X線分光法（Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy, EDX）を使用してAgNPsの存在を確認しました。

3. 抗菌性能テスト

研究では、大腸菌（Escherichia coli）と黄色ブドウ球菌（Staphylococcus aureus）に対するスキャフォールドの抗菌効果を評価し、阻止円（Inhibition Zone）を測定してその抗菌活性を確認しました。

4. 細胞実験

  • 細胞接着と増殖：ヒト胚性腎細胞（HEK 293）をスキャフォールドに播種し、MTT（3-(4,5-Dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide）実験を用いて細胞活性と増殖能力を評価しました。
  • 細胞移動実験：スクラッチテスト（Scratch Test）を用いて、スキャフォールド抽出物が細胞移動に及ぼす影響を評価しました。

5. 動物実験

  • VMLモデルの作成：8週齢のWistarラットの左脛骨前筋（Tibialis Anterior, TA）に30%のVML損傷を作成しました。
  • スキャフォールド移植：PCL/AgとPCL/HAM/Agスキャフォールドを損傷部位に移植し、術後に強制ランニングマシントレーニングを行いました。
  • 機能評価：オープンフィールドテスト（Open Field Test）と歩行行動評価（Walking Behavior Assessment）を用いて、ラットの運動機能回復を観察しました。
  • 組織学的分析：術後7日、14日、および28日に組織サンプルを採取し、ヘマトキシリン・エオシン染色（Hematoxylin & Eosin, H&E）、Massonトリクローム染色、および免疫組織化学染色（デスミン染色）を行い、筋再生と血管化を評価しました。

主な結果

  1. スキャフォールドの特性評価：PCL/AgとPCL/HAM/Agスキャフォールドは、良好なファイバー配列と機械的特性を示し、HAMの添加によりスキャフォールドの機械的安定性が大幅に向上しました。
  2. 抗菌性能：両スキャフォールドは、黄色ブドウ球菌と大腸菌に対して顕著な抗菌活性を示し、特に黄色ブドウ球菌に対する抑制作用が強かったです。
  3. 細胞実験：PCL/Agスキャフォールドは、細胞接着と増殖においてPCL/HAM/Agスキャフォールドよりも優れており、細胞成長に適していることが示されました。
  4. 動物実験：術後28日目に、PCL/AgとPCL/HAM/Agスキャフォールドは筋再生と血管化を促進し、強制運動トレーニングを組み合わせたラットは顕著な運動機能回復を示しました。

結論

本研究は、初めてAgNPsをPCL/HAMスキャフォールドに組み合わせ、VML損傷の治療に応用しました。研究結果は、PCL/AgとPCL/HAM/Agスキャフォールドを強制運動トレーニングと組み合わせることで、筋再生、血管化、および神経再生を効果的に促進し、筋機能を改善できることを示しました。この発見は、VML治療の新しいアプローチを提供し、科学的および応用的な価値が高いです。

研究のハイライト

  1. 革新的なスキャフォールド設計：初めてAgNPsをPCL/HAMスキャフォールドに組み合わせ、抗菌性能と機械的安定性を向上させました。
  2. 総合療法：組織工学スキャフォールドと強制運動トレーニングを組み合わせることで、筋機能回復の効果を大幅に向上させました。
  3. 多角的評価：細胞実験、動物実験、および組織学的分析を通じて、スキャフォールドの治療効果を包括的に評価しました。

意義と価値

本研究は、VML治療のための新しい総合療法を提供し、組織工学スキャフォールドと運動トレーニングの可能性を示しました。この方法は、筋再生を促進するだけでなく、患者の運動機能を改善し、臨床応用の可能性が高いです。今後の研究では、スキャフォールド設計をさらに最適化し、移植期間を延長し、より多くの機能評価方法を探求して、その長期的効果を検証することが期待されます。