アラビノキシランを組み込んだポリ（ε-カプロラクトン）ナノファイバーマトリックスは線維芽細胞の接着と増殖を促進する

2025-04-25 Fri
有機高分子材料ナノ高分子化学化学化学工学材料科学バイオエンジニアリング生命科学医学
学術的背景創傷治癒は、止血、炎症、増殖、リモデリングなど、複数の段階を経る複雑な生理的プロセスです。しかし、重度の外傷や慢性創傷の場合、包帯や縫合などの従来の治療法は効果が限られています。近年、組織工学（tissue engineering）の発展により、創傷修復に新たなアプローチが提供されています。生体模倣スキャフォールド材料を構築することで、細胞に適した成長環境を提供し、組織再生を促進することが可能です。その中でも、ナノファイバーマトリックス（nanofibrous matrix）は、その高い比表面積と生体模倣構造から、組織工学において注目されている研究分野です。しかし、ポリカプロラクトン（poly(ε-caprolactone), PCL）のような単一の合成ポリマーは、優れた機械的特性と生体適合性を持っていますが、その疎水性と分解速度の遅さが軟組織再生における応用を制限しています。そのため、研究者たちは天然の生物活性物質を合成ポリマーと組み合わせ、材料の性能を向上させる試みを行っています。
アラビノキシラン（arabinoxylan, AX）は、植物から抽出されるヘミセルロースの一種で、優れた生体適合性、生分解性、および吸水膨潤性を持っています。抗酸化、抗炎症、免疫調節など、さまざまな生物活性が確認されており、組織工学や創傷治癒分野での応用が期待されています。本研究では、AXをPCLと組み合わせ、静電紡糸技術を用いてナノファイバーマトリックスを調製し、線維芽細胞の接着と増殖への影響を評価することで、創傷治癒のための新たなバイオマテリアルを提供することを目的としています。
論文の出所本研究は、パキスタン、中国、サウジアラビア、スペインの複数の研究者によって共同で行われ、主な著者にはKiran Konain、Sajida Farid、Shazia Hameedらが含まれます。研究チームはKhyber Medical University、Shanghai Ocean University、King Saud Universityなどの複数の機関に所属しています。論文は2025年4月2日に受理され、『Bionanoscience』誌に掲載されました。DOIは10.1007/s12668-025-01924-4です。
研究の流れと結果1. アラビノキシランの抽出研究では、まず地元で購入したIspaghula huskからAXを抽出しました。抽出方法はアルカリ抽出法で、Ispaghula huskを蒸留水に溶解し、pHを12に調整した後、濾過し、酢酸を用いてpHを3に下げてAXゲルを沈殿させました。ゲルは数回洗浄され、乾燥後、茶色の粉末状のAXが得られました。抽出プロセスは再現性を確保するために3回繰り返されました。
2. ナノファイバーマトリックスの調製静電紡糸技術を用いてPCLおよびPCL-AXナノファイバーマトリックスを調製しました。PCL溶液の濃度は12% w/vで、PCL-AX溶液には2.5% w/vのAXが添加されました。静電紡糸のパラメータは、電圧15 kV、針先とコレクターの距離15 cm、回転速度150 rpmでした。調製されたナノファイバーはアルミホイル上に収集され、走査型電子顕微鏡（SEM）を用いて表面形態が観察されました。結果は、PCLナノファイバーの平均直径が440 ± 225 nmであるのに対し、PCL-AXナノファイバーの直径は330 ± 165 nmに減少し、表面は滑らかでビーズ状の欠陥がありませんでした。
3. ナノファイバーの機械的特性試験単軸引張試験を用いてナノファイバーの機械的特性を評価しました。PCLおよびPCL-AXナノファイバーの引張強度はそれぞれ4.20 ± 0.3 MPaおよび3.71 ± 0.1 MPaで、破断伸び率はそれぞれ45.74 ± 0.1%および62.60 ± 0.4%でした。結果は、AXの添加によりナノファイバーの延性が向上し、軟組織再生に適していることが示されました。
4. フーリエ変換赤外分光法（FTIR）分析FTIRスペクトルを用いて、AXがPCLマトリックスに成功裏に組み込まれたことを確認しました。PCL-AXグループのスペクトルには、PCLとAXの特徴的なピークが同時に現れ、両者の間に明らかな化学反応はなく、物理的または弱い水素結合による相互作用で結合していることが示されました。
5. 吸水性能試験ナノファイバーマトリックスをリン酸塩緩衝液（PBS）に浸漬し、その吸水性能を評価しました。結果は、PCL-AXマトリックスが5時間以内に最大23%の吸水率を示し、12時間にわたって安定した吸水能力を維持することが明らかになりました。この特性は、創傷滲出液を吸収し、創傷治癒に適した湿潤環境を提供するのに役立ちます。
6. 細胞接着と増殖実験NIH3T3線維芽細胞をPCLおよびPCL-AXマトリックスに播種し、細胞接着と増殖を評価しました。結果は、PCL-AXマトリックスの細胞接着率がPCLマトリックスよりも10%高かったことを示しました。SEM観察により、PCL-AXマトリックス上で細胞がより多くの細胞質の伸展を形成していることが確認され、その優れた細胞適合性が示されました。さらに、Alamar Blue™実験を用いて細胞増殖を評価した結果、PCL-AXマトリックスが線維芽細胞の増殖を著しく促進することが明らかになりました。
研究の結論と意義本研究では、PCL-AXナノファイバーマトリックスの調製に成功し、その優れた機械的特性、吸水性、および細胞適合性が確認されました。AXの添加は、PCLの疎水性を改善するだけでなく、線維芽細胞の接着と増殖を著しく促進しました。これらの結果は、PCL-AXナノファイバーマトリックスが創傷治癒および組織工学において広範な応用可能性を持つことを示しています。
研究のハイライト革新的な材料設計：初めてアラビノキシランをポリカプロラクトンと組み合わせ、静電紡糸技術を用いてナノファイバーマトリックスを調製し、創傷治癒のための新たなバイオマテリアルを提供しました。
優れた機械的特性：PCL-AXナノファイバーは高い延性と引張強度を持ち、軟組織再生に適しています。
良好な生体適合性：PCL-AXマトリックスは線維芽細胞の接着と増殖を著しく促進し、組織工学における応用可能性を示しました。
優れた吸水性能：PCL-AXマトリックスは創傷滲出液を効果的に吸収し、創傷治癒に適した湿潤環境を提供します。
その他の価値ある情報本研究で使用されたAXの抽出方法と静電紡糸技術は、特別な装置やアルゴリズムの開発を必要としない一般的な実験方法です。しかし、研究チームは詳細な実験設計とデータ分析を通じて、PCL-AXナノファイバーマトリックスの応用に対する科学的根拠を提供しました。今後の研究では、この材料の動物モデルにおける創傷治癒効果をさらに評価し、他の組織工学分野での応用可能性を探ることが期待されます。