新しい生体材料が関節の損傷した軟骨を再生する

ノースウェスタン大学の科学者らは、大型動物モデルの膝関節における高品質の軟骨の再生に成功した新たな生体活性材料を開発した。

ゴムのような粘液のように見えますが、この素材は実際には分子成分の複雑なネットワークでできており、それらが連携して体内の軟骨の自然な環境を模倣します。

新しい研究では、研究者らは動物の膝関節の損傷した軟骨にこの材料を適用した。わずか 6 か月以内に、研究者らは、関節の痛みのない機械的弾力性を可能にする天然バイオポリマー (コラーゲン II とプロテオグリカン) を含む新しい軟骨の成長など、修復が促進された証拠を観察した。

研究者らは、さらなる研究により、この新素材は将来的には膝関節全置換手術の回避、変形性関節症などの変性疾患の治療、前十字靭帯断裂などのスポーツ関連の損傷の修復に利用できるようになる可能性があると述べている。

この研究は8月5日の週に米国科学アカデミー紀要に掲載される予定だ。

「軟骨は関節にとって非常に重要な構成要素です」と、この研究を率いたノースウェスタン大学のサミュエル・I・スタップ氏は語る。「軟骨が時間の経過とともに損傷したり、分解したりすると、人々の健康全般や運動能力に大きな影響を及ぼす可能性があります。問題は、成人の軟骨には本来治癒する能力がないことです。私たちの新しい治療法は、自然に再生しない組織の修復を促します。私たちの治療法は、深刻な、満たされていない臨床ニーズへの対応に役立つと考えています。」

再生ナノ医療の先駆者であるスタップ氏は、ノースウェスタン大学の材料科学および工学、化学、医学、生物医学工学の理事会教授であり、同大学のシンプソン・クエリー・バイオナノテクノロジー研究所とその関連センターである再生ナノ医療センターの創設所長でもある。スタップ氏はマコーミック工学部、ワインバーグ文学科学部、フェインバーグ医学部に所属している。スタップ氏の研究室で博士課程を修了したジェイコブ・ルイス氏が、この論文の筆頭著者である。

この新しい研究は、Stupp 研究室が最近発表した研究に続くもので、チームは「踊る分子」を使用してヒトの軟骨細胞を活性化し、組織マトリックスを構成するタンパク質の生産を促進しました。新しい研究では、踊る分子を使用する代わりに、Stupp 研究室で開発されたハイブリッド生体材料を評価します。新しい生体材料は、軟骨の成長と維持に不可欠なタンパク質であるトランスフォーミング成長因子ベータ 1 (TGFb-1) に結合する生理活性ペプチドと、軟骨と関節の潤滑滑液に含まれる天然多糖類である修飾ヒアルロン酸の 2 つの成分で構成されています。

「ヒアルロン酸はスキンケア製品でよく使われる成分なので、多くの人はヒアルロン酸をよく知っています」とスタップ氏は言う。「ヒアルロン酸は関節や脳など、人体のさまざまな組織に自然に含まれています。私たちがヒアルロン酸を選んだのは、軟骨に含まれる天然ポリマーに似ているからです」

スタップ氏のチームは、生体活性ペプチドと化学的に修飾されたヒアルロン酸粒子を統合し、ナノスケール繊維の自己組織化を促進して、軟骨の自然な構造を模倣した束を作りました。目標は、体内の細胞が軟骨組織を再生するための魅力的な足場を作ることでした。ナノスケール繊維の生体活性信号を使用して、この材料は足場に生息する細胞による軟骨の修復を促進します。

軟骨の成長を促進するこの素材の有効性を評価するために、研究者らは、人間の膝に似た後肢の複雑な関節である膝関節の軟骨に欠陥がある羊でこの素材をテストした。この研究は、ウィスコンシン大学マディソン校獣医学部のマーク・マーケル研究室で行われた。

スタップ氏によると、羊モデルでのテストは極めて重要だった。人間と同様、羊の軟骨は頑固で再生が非常に難しい。羊の膝関節と人間の膝関節は、体重負荷、大きさ、機械的負荷においても類似点がある。

「羊モデルでの研究は、人間に治療がどのように作用するかをより正確に予測できる」とスタップ氏は言う。「他の小動物では、軟骨の再生ははるかに容易に起こる」

研究では、研究者らが軟骨欠損部に濃厚なペースト状の材料を注入したところ、それがゴム状の基質に変化した。スキャフォールドが分解するにつれて新しい軟骨が成長して欠損部を埋めただけでなく、修復された組織は対照群と比較して一貫して高品質であった。

将来的には、この新素材を関節開放手術や関節鏡手術の際に関節に応用できるのではないかとスタップ氏は考えている。現在の標準的な治療法はマイクロフラクチャー手術で、外科医が骨の下部に小さな骨折を作り、新しい軟骨の成長を促す。

「マイクロフラクチャー法の主な問題は、機能的な関節に必要な硝子軟骨ではなく、耳の軟骨と同じ線維軟骨が形成されることが多いことです」とスタップ氏は言う。「硝子軟骨を再生することで、私たちの方法は摩耗や裂傷に対する耐性が高まり、可動性の低下や関節痛の問題を長期的に解決すると同時に、大きな器具を使った関節再建の必要性も回避できるはずです。」

ルイス JA、ネムケ B、ルー Y、サザー NA、マクレンドン MT、マレン M、ユアン SC、ラブリ SK、ブリードーン JA、フィリポン MJ、ハード J、マーケル MD、ストゥップ SI。
羊モデルにおける軟骨修復のための生体活性超分子および共有結合ポリマー足場。
Proc Natl Acad Sci US A. 2024年8月13日;121(33):e2405454121. doi: 10.1073/pnas.2405454121