骨折部位が大きい、あるいは骨欠損が広範に及ぶ場合、体の自然治癒力だけでは回復が難しいことがあります。こうした損傷部位に幹細胞を呼び寄せ、新しい骨の形成を後押しする生体材料が開発されました。
鍵となるのが「乳酸」です。運動後の筋肉疲労を連想しがちな物質ですが、研究チームは、乳酸が幹細胞が骨細胞へ変化する過程でもシグナルを伝え得ることを確認しました。
CHA医科学大学・分堂CHA病院は31日、整形外科のイ・スンチョル教授、キム・ジョンイン研究教授、CHA医科学大学の博士課程学生シペシフレ・カサンドラ・ノンジョラで構成する研究チームが、幹細胞を損傷部位へ誘導しつつ骨形成まで支援する骨再生用スキャフォールドを開発したと発表しました。
研究成果は国際学術誌〈Carbohydrate Polymers（炭水化物高分子）〉に6月24日、オンラインで先行公開され、9月15日発行の388巻に掲載されます。
骨を支える「足場」を超え、幹細胞の集積まで狙う
スキャフォールド（scaffold）は、損傷した組織が再び成長できるよう支える一種の「足場」です。骨再生では、細胞が付着して増殖し、新しい骨を作れる空間を提供します。
ただ、骨欠損が大きい場合、構造物を入れるだけでは回復に限界があります。骨を作る幹細胞が損傷部位に集まり、その細胞が実際に骨細胞へ分化するのを促すシグナルも必要になります。
研究チームは、この2つの機能を1つのスキャフォールドに組み込みました。
生体適合性ポリマーのPCLとセルロース系素材で繊維を作り、化学処理によって表面に乳酸カルシウムが生成されるようにしました。ここから、骨形成に必要なカルシウムと乳酸が放出されます。
さらに、幹細胞を損傷部位へ引き寄せるタンパク質「SDF-1」も結合させました。SDF-1は、骨髄由来間葉系幹細胞が損傷部位へ移動するのを助けるシグナル分子です。
実験では、SDF-1は初期に比較的多く放出された後も、28日まで放出が続きました。乳酸は徐々に供給され、カルシウムは7日以内に放出されました。幹細胞を損傷部位へ呼び寄せたうえで、そこで新しい骨を作る過程を支援するよう設計した形です。
乳酸処理で骨細胞分化関連シグナルが増加
研究チームは、乳酸が幹細胞内でどのような変化を引き起こすかも調べました。
ヒト骨髄由来間葉系幹細胞に乳酸を処理すると、「OR5AN1」という受容体の発現が増えました。細胞内へ入るカルシウムシグナルと、骨細胞分化に関連するマーカーもあわせて増加しました。
OR5AN1は嗅覚受容体ファミリーに属します。嗅覚受容体は鼻でにおいを感知する役割でよく知られますが、一部は他の組織にも存在し、細胞へシグナルを伝える役割を担います。
乳酸が骨再生を助けるという研究が今回が初めてというわけではありません。先行する動物研究でも、乳酸が嗅覚受容体ファミリーを介して幹細胞の骨分化と骨形成を促進する可能性が示されていました。
今回の研究チームは、ヒト骨髄幹細胞に乳酸を処理した際に、OR5AN1発現、カルシウムシグナル、骨分化関連指標が同時に増加することを確認しました。さらに、この原理を、幹細胞誘導タンパく質と乳酸カルシウムを組み合わせた骨再生スキャフォールドに適用しました。
マウス大腿骨欠損に適用…新生骨がより多く形成
研究チームは細胞実験に続き、マウスの大腿骨の一部を損傷させた動物モデルでも新しいスキャフォールドを試験しました。
乳酸カルシウムとSDF-1を併用したスキャフォールドを用いた群では、対照群より新しい骨がより多く形成されました。組織検査と免疫染色でも、骨基質形成と組織成熟がより活発に認められました。
ただし、現時点で患者に適用できる治療法ではありません。今回の研究は、ヒト幹細胞を用いた細胞実験と、マウス大腿骨欠損モデルで効果と作用機序を確認した段階です。実際の骨折や大きな骨欠損、人工関節手術後の骨再生に用いるには、ヒトを対象に安全性と有効性を確認する研究がさらに必要となります。
分堂CHA病院の整形外科イ・スンチョル教授は「骨を単に支持する素材ではなく、損傷部位に幹細胞を集め、自ら骨を作るよう誘導する生体材料を実現した点に意義があります」としたうえで、「今後、骨折や骨欠損、人工関節手術後の骨再生など、さまざまな整形外科治療に活用できると期待しています」と語りました。
今回の研究は、生物学研究情報センター（BRIC）の「韓国を輝かせた人々（ハンビッサ）」でも紹介されました。
