JP2021528206A - 差異性組織工学神経及び応用 - Google Patents

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Abstract

本発明は、類似運動神経と類似感覚神経とを含む差異性組織工学神経を開示し、前記類似運動神経と類似感覚神経とはそれぞれ類似運動神経の神経上管と神経上管内の類似運動神経線維及び類似感覚神経の神経上管と神経上管内の類似感覚神経線維を含み、類似運動神経と類似感覚神経の神経上管の表面又は孔隙内に、それぞれ運動神経由来と感覚神経由来のシュワン細胞及び/又は線維芽細胞が含まれ、類似運動神経と類似感覚神経線維の表面又は孔隙内に、それぞれ経シナプスシグナル分子ニューロリギン−1とニューロリギン−2とが含まれる。本発明は、選択的にニューロリギン−1を使用して運動ニューロンを特異的に促進してシナプスしてリモデリングし、ニューロリギン−2を使用して感覚ニューロンを特異的にシナプスしてリモデリングして、運動神経細胞と感覚神経細胞の修復効率を向上させている。

Description

本発明は、生医学分野に関し、具体的には運動神経と感覚神経を差異的に制御して修復できる差異性組織工学神経に関する。
末梢神経損傷は、臨床でよく見られる疾患であり、社会経済の発展及び人口高齢化、意外事故による急性外傷と慢性退行性疾患による末梢神経障害は、大幅に上昇する傾向がある。末梢神経損傷は、患者の相応部位の運動と感覚機能の損傷を招き、損傷後の機能の回復状況は、主に再生神経軸索が特定の運動と感覚経路に対する正確な選択性により成長する。臨床において、神経修復は主に断端で無張力の直接縫合、自体あるいは異体の神経移植、及び組織工学神経移植片などの方式がある。断端直接縫合は、あまり深刻でない局部創傷のみに適用し、自体あるいは異体の神経移植の実際操作において多くの不便と弊害があるため、現在、末梢神経修復の主な研究方向は、適切な組織工学神経の構築を探求することである。
正常な生理状態で、末梢神経系の運動・感覚神経線維は、対応する神経周膜内で一定の方向性で規則的に成長している。一方、神経損傷後、損傷部位に単純な材料で作られたカテーテルを架橋すると、運動神経線維や感覚神経線維の再生方式が無規則で混乱し、神経線維の誤接続率が存在する。そして、後期の神経線維が最終的に支配する標的器官を見つけても、神経再生の速度に大きな影響を与えるようになっている。より深刻なのは、遠端の神経線維末梢の効果器が長期にわたって神経支配を失ったため、機能を完全に回復することができなくなり、例えば標的筋の萎縮過程が不可逆的である。したがって、再生の初期段階で適切に介入し、運動神経線維と感覚神経線維の正確かつ規則的な成長を促すことで、末梢神経再生の速度と効率を高めることができる。
中国の特許文献1に、バイオプリンティング技術に基づいて調製された組織工学神経移植片が開示されており、前記組織工学神経移植片は、神経上管と管内のナノ線維骨格とを含み、前記神経上管の直径が1〜9mmであり、壁厚が0.5〜1mmであり、前記管内のナノ線維骨格の直径が0.1mmであり、骨格の本数が5〜30本であり、骨格は管内に均一に分配され、骨格の内部あるいは表面と神経上管の内外表面は、栄養因子及び/あるいは細胞を被覆している。中国の特許文献2に、カテーテルと管内の線維骨格を含む懸糸線維骨格を持つ組織工学神経移植片が開示されている。各本の線維骨格は線維の長さ方向に沿っていくつかの懸糸が設けられてカテーテル内壁に繋がれ、線維骨格は懸糸によってカテーテル内に吊り下げられていることを特徴とする。これらの研究は、神経細胞成長の「橋梁」としてナノ線維を用いたバイオプリンティング技術を利用し、神経細胞が線維骨格に沿って配向的に成長することを保証している。しかし、実際の末梢神経修復過程において、運動神経と感覚神経をよく区別できず、神経線維の誤接続が問題となっている。
中国特許出願公開第102908207号公報 中国特許出願公開第104623738号公報
本発明は、末梢神経の独特な解剖構造に基づいて設計され、運動神経と感覚神経を差異的に制御して修復できる差異性組織工学神経を構築する。
本発明の具体的な技術方案は、以下の通りである。
差異性組織工学神経であって、類似運動神経と類似感覚神経とを含み、
前記類似運動神経は、類似運動神経の神経上管と神経上管内の類似運動神経線維を含み、前記類似運動神経の神経上管の表面又は孔隙内に、運動神経由来のシュワン細胞及び/又は線維芽細胞が含まれており、前記類似運動神経線維の表面又は孔隙内に、経シナプスシグナル分子ニューロリギン(Neuroligin)−1が含まれており、
前記類似感覚神経は、類似感覚神経の神経上管と神経上管内の類似感覚神経線維を含み、前記類似感覚神経の神経上管の表面又は孔隙内に、感覚神経由来のシュワン細胞及び/又は線維芽細胞が含まれており、前記類似感覚神経線維表面又は孔隙内に、経シナプスシグナル分子ニューロリギン(Neuroligin)−2が含まれている。
本発明の研究から明らかなことは、ニューロリギン−1は、運動ニューロンを特異的に促進してシナプスしてリモデリングすることができ、ニューロリギン−2は、感覚ニューロンを特異的に促進してシナプスしてリモデリングすることができ、両者をそれぞれ運動神経と感覚神経の再生に応用すると非常に良好な神経修復効果が得られる。
好ましくは、前記運動神経由来のシュワン細胞及び/又は線維芽細胞と感覚神経由来のシュワン細胞及び/又は線維芽細胞の数との比が1:1〜5である。本発明の類似運動神経線維と類似感覚神経線維における神経細胞の再生速度の一致を保証するために、運動神経由来のシュワン細胞及び/又は線維芽細胞と感覚神経由来のシュワン細胞及び/又は線維芽細胞の数との比が1:3であることがより好ましい。
1つの好ましい方案として、ニューロリギン−1とニューロリギン−2との質量比が1:1である。
好ましくは、本発明に係る前記類似運動神経線維及び/又は類似感覚神経線維に経シナプスシグナル分子ニューレキシン(Neurexin)−1βをさらに含み、類似運動神経線維におけるニューロリギン−1とニューレキシン−1βとの質量比が1:0.01〜10であることが好ましく、1:5であることがより好ましい。前記類似感覚神経線維におけるニューロリギン−2とニューレキシン−1βとの質量比が1:0.01〜10であることが好ましく、1:5であることがより好ましい。
本発明に係る差異性組織工学神経は、従来技術に開示された技術で調製することができ、例えば、鋳型、凍結乾燥成形、静電紡糸技術、三次元バイオプリンティング技術などであり、三次元バイオプリンティング技術が好ましい。
本発明は、バイオプリンティング技術を採用することができ、運動神経、感覚神経由来のシュワン細胞及び/又は線維芽細胞、経シナプスシグナル分子ニューロリギン−1、ニューロリギン−2、ニューレキシン−1β(あるいは経シナプスシグナル分子を含有した微小球を調製する)及び運動神経線維と感覚神経線維材料を原料としてプリントを行ってもよく、運動神経、感覚神経由来のシュワン細胞及び/又は線維芽細胞、経シナプスシグナル分子ニューロリギン−1、ニューロリギン−2、ニューレキシン−1β(あるいは経シナプスシグナル分子を含有した微小球を調製する)を、それぞれ神経線維の対応する位置にプリントし、塗布あるいは受動的に吸着してもよい。
本発明の1つの好ましい方案として、経シナプスシグナル分子ニューロリギン−1、ニューロリギン−2及びニューレキシン−1βを微小球(徐放性微小球が好ましい)に包埋させ、安定性を向上し、生物活性及び組織工学神経における粘着性を保証することができる。
1つの好ましい方案として、PLGA微小球を採用し、調製方法は以下の通りである。
ポリ乳酸−グリコール酸共重合体(PLGA,乳酸:エタノールのモル比が53:47、分子量[MW]25kDa)。PLGA微小球は、水/油/水の多重エマルジョン法により調製した。100mgのPLGAを1mLのジクロロメタンに溶解し、続いて3mLの7%(w/v)ポリビニルアルコール(PVA)水溶液に乳化し、1分間超音波処理して第1段階の乳液を作製した。続いて、上記溶液を50mLの1%(w/v)ポリビニルアルコール(PVA)水溶液(2%のイソプロピルアルコール含有)に加え、再び3分間超音波処理により、第2段階の乳液を形成した。室温で、前記第2段階の乳液をゆっくり1晩撹拌し、残存するジクロロメタンはきれいに揮発した。13,000rpm、5分間、4℃の遠心沈殿によってPLGA微小球を得た。ddHOで2回洗浄し、ddHOを0.4mL加えて再懸濁して予備とした。
本発明に係る類似運動神経と類似感覚神経は神経カテーテル構造であり、神経上管と管内の類似運動神経線維と類似感覚神経線維を含み、神経上管の直径が1〜9mm、壁厚が0.5〜1mmであることが好ましく、前記類似運動神経線維と類似感覚神経線維の直径が0.01〜0.1mm、数が5〜30本である。
本発明に係る差異性組織工学神経は、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、コラーゲン、ゼラチン、キトサン、絹フィブロインのうちの一種又はそのうちの何種類から選択される分解可能な重合体材料から製造されている。
本発明の1つの好ましい方案として、前記類似運動神経と類似感覚神経は、平坦状、Y字状、樹木状、櫛歯状のうちの一種又は複数種の形状の多分岐状をなすように配置されている。空間的に運動神経と感覚神経の相対的な分離をよりよく保証することができ、架橋の正確性を高めることができる。固定成形の形状を有するように、さらにスリーブ、懸糸、骨格などの方式を使用して類似運動神経と類似感覚神経の相対位置を設計して配置してもよい。
本発明の他の目的は、本発明に係る組織工学神経の末梢神経欠損修復への使用を提供することである。
本発明の利点は以下の通りである。
本発明は、異なるニューロリギンが運動神経細胞と感覚神経細胞に対する作用が異なることを初めて発見し、選択的にニューロリギン−1を使用して運動ニューロンを特異的に促進してシナプスしてリモデリングし、ニューロリギン−2を使用して感覚ニューロンを特異的に促進してシナプスしてリモデリングして、運動神経細胞と感覚神経細胞の修復効率を向上させている。
本発明は、さらに研究したところ、ニューロリギン−1とニューロリギン−2が運動神経細胞と感覚神経細胞の修復速度を促進して、本発明に係る組織工学神経における運動神経と感覚神経の再生速度を一致させて、末梢神経の再生速度を向上させている。
本発明は、組織工学の研究方法を運用し、末梢神経損傷の局部に運動・感覚ニューロン軸索に適応して特異的に成長したシナプス関連タンパク質を模擬して徐々に放出し、シュワン細胞と線維芽細胞から構成される3D運動感覚の微小環境を結合し、解剖構造/局部微小環境の二重生体模倣の組織工学神経を構築して、末梢神経の再生速度と効率の向上に有利となる。
免疫細胞化学染色でニューロリギン−1とニューロリギン−2がそれぞれ運動・感覚ニューロンに作用してシナプス形成に影響を与えることを示し、図1Aは、ニューロリギン−1とニューロリギン−2がそれぞれ運動ニューロンと感覚ニューロンに作用し、免疫細胞化学染色によるシナプス関連タンパク質シナプトフィジン(Synaptophysin)とPSD−95の分布及び表現状況を観察し、図1Bは、ニューロリギン−1とニューロリギン−2が、それぞれ運動ニューロンと感覚ニューロンに作用して、シナプス前膜タンパク質シナプトフィジンとシナプス後膜タンパク質PSD−95のシナプス面積が全神経突起の面積に占める百分率の棒グラフである(**vs.ニューロリギン−1 運動ニューロン中;##vs.ニューロリギン−2 感覚ニューロン中,P<0.01)。 免疫細胞化学染色でニューレキシン−1βとニューロリギンが、剤量と関連する協同作用を有することを示し、図2Aは、ニューレキシン−1β及びニューレキシン−1βが、それぞれニューロリギン−1及びニューロリギン−2と運動ニューロン及び感覚ニューロンに共同作用し、免疫細胞化学染色によるシナプス関連タンパク質シナプトフィジンとPSD−95の分布及び表現状況を観察し、図2Bは、ニューレキシン−1β及びニューレキシン−1βが、それぞれニューロリギン−1及びニューロリギン−2と運動ニューロン及び感覚ニューロンに共同作用し、シナプス前膜タンパク質シナプトフィジンとシナプス後膜タンパク質PSD−95のシナプス面積が全神経突起の面積に占める百分率の棒グラフである(**vs.ニューロリギン−1 200ng/mL+ニューレキシン−1β 1μg/mL 運動ニューロン中;##vs.ニューロリギン−2 200ng/mL+ニューレキシン−1β 1μg/mL 感覚ニューロン中,P<0.01)。 本発明に係る差異性組織工学神経の模式図である。 本発明の実施例4の坐骨神経損傷モデルの術後12週、各実験チームの運動機能回復状況を電気生理学的に検査し、図4Aは、各実験チームCMAPの代表図であり、図4Bは、各実験チームCMAPが自家移植片(Autograft)に占める百分率の統計結果である(n=6,vs.optimized TENG,P<0.05;**vs.optimized TENG,P<0.01)。 本発明の実施例4の坐骨神経損傷モデルの術後12週、各実験チームの痛覚検査による感覚機能の回復状況であり、図5Aは、各実験チームの機械的疼痛を検査した結果であり(n=6,vs.optimized TENG,P<0.05)、図5Bは、各実験チームの熱過敏性疼痛を検査した結果である(n=6,vs.optimized TENG,P<0.05;**vs.optimized TENG,P<0.01)。
以下、実施例にて本発明の具体的なステップを説明するが、これらの実施例に限定されるものではない。
本発明に使用される用語は、他に指示がない限り、通常当業者によって一般的に理解される意味を有する。
以下、具体的実施例とデータを参照しながら本発明をさらに詳細に説明する。なお、該実施例は本発明を説明するために過ぎず、本発明の範囲を何ら限定するものではない。
以下の実施例では、詳細に記載されていない様々なプロセス及び方法は本技術分野で周知の常法である。
以下、具体的実施例により本発明をさらに説明する。
実施例1 ニューロリギン−1とニューロリギン−2の運動ニューロンと感覚ニューロンシナプスの促進作用への考察
(1)運動ニューロンの培養:妊娠15d〜16dのSDラットを解剖鏡下で脊髄腹側被膜、後根神経節及び血管を除去し、ラットの腹側脊髄を慎重に分離し、氷冷解剖液のシャーレに置いた。0.5cmの大きさの組織塊にマイクロシザーズよりせん断した後、15mLの遠心管に移した。0.25%のパンクレアチンと200U/mlのDNA酵素を加え、37℃で30分消化した後、DMEM+10%FBSを加えて消化を中止し、1000r/分で5分間遠心分離し、上清を捨てた。5mLの「オプティプレップ(Optiprep)」分離液を加え、3000r/分の密度勾配で15分間遠心分離した後、遠心管内の液体を3層に分け、中間層は脊髄運動ニューロンを含む。15mLの遠心管に中間層を慎重に吸引し、3mLの培地を加え、1000r/分で5分間遠心分離し、上清を捨てて細胞片を除去した。DMEM+10%FBSを加えて細胞を再懸濁し、封止されていない6ウェルプレートに細胞懸濁液を加え、1h示差接着し、未付着細胞を集めて遠心させ、「neurobasal」完全培地(97%「Neurobasal」+2%B27+1%GluMAX)を加えて細胞を再懸濁した。細胞懸濁液を1×10/mLで予めポリリジンで被覆した24ウェルプレートに播種した。12hに液体の交換を1回し、その後3dごとに半分の量で液体の交換をした。
(2)感覚ニューロンの培養:妊娠17d〜18dのSDラットを氷上に置き、解剖鏡下で脊柱管を切開し、脊髄を摘出し、L4−6後根神経節を慎重に摘出し、後根神経節の外膜を極力除去して、神経根を整えた。後根神経節を0.25%パンクレアチンと0.5g/Lコラゲナーゼ中に入れ、37℃で30分間消化した。DMEM+10%FBSを加えて消化を中止し、1000r/分で5分間遠心分離し、上清を捨てた。「Neurobasal」完全培地(97%「Neurobasal」+2%B27+1%GluMAX)を加えて細胞を再懸濁した。細胞懸濁液を1×10/mLで予めポリリジンで被覆した24ウェルプレートに播種した。培養3日目に、20mg/Lの5−フルオロウラシルを加えて増殖の非神経細胞を抑制し、48h保持した後に「Neurobasal」完全培地に交換し、その後3dごとに半分の量で液体の交換をした。
運動ニューロンと感覚ニューロンをそれぞれ10d体外培養した後、それぞれ2組に分け、ニューロリギン−1(最終濃度200ng/mL)とニューロリギン−2(最終濃度200ng/mL)を加えて継続して24h培養した。0.01M PBS(pH7.2)で2回洗浄した。室温で、4%のパラホルムで10分間固定し、室温でブロッキング液により1h密封し、マウス抗シナプトフィジンポリクローナル抗体(濃度が1:600)及びウサギ抗−PSD−95ポリクローナル抗体(濃度が1:800)を加えて4℃で一晩置いた(実験で第1抗体を加えない陰性対照とした)。0.01M PBS(pH7.2)で3回洗浄した。TRITC donkey anti rabbit IgG(濃度が1:200)、FITC donkey−anti−mouse IgG(濃度が1:200)を加えて室温で2hインキュベートした。0.01M PBS(pH7.2)で2回洗浄した。Hoechst(5μg/ml)核対比染色した。マウンティングメディウムを載せた後、共焦点レーザー顕微鏡(LEICA−SP2,Germany)下で観察した。
免疫細胞化学染色の結果は図1に示す通りであり、図1Aは、ニューロリギン−1(最終濃度200ng/mL)とニューロリギン−2(最終濃度200ng/mL)が、それぞれ運動ニューロンと感覚ニューロンに作用し、免疫細胞化学染色によるシナプス関連タンパク質シナプトフィジンとPSD−95の分布及び表現状況を観察し、図1Bは、ニューロリギン−1とニューロリギン−が、それぞれ運動ニューロンと感覚ニューロンに作用し、シナプス前膜タンパク質シナプトフィジンとシナプス後膜タンパク質PSD−95のシナプス面積が全神経突起の面積に占める百分率の棒グラフである。結果が示すように、ニューロリギン−1が運動ニューロンに作用した後、シナプス前膜タンパク質シナプトフィジン(緑色)とシナプス後膜タンパク質PSD−95(赤色)のシナプス面積が全神経突起の面積の75%以上を占め、ニューロリギン−1が感覚ニューロンに作用した後、シナプス前膜タンパク質シナプトフィジン(緑色)とシナプス後膜タンパク質PSD−95(赤色)のシナプス面積が全神経突起の面積の33%を占めており、ニューロリギン−1が運動ニューロンのシナプス形成のみに特異的な促進作用をすることを提示した。
ニューロリギン−2が感覚ニューロンに作用した後、シナプス前膜タンパク質シナプトフィジン(緑色)とシナプス後膜タンパク質PSD−95(赤色)のシナプス面積が全神経突起の面積の68%以上を占め、ニューロリギン−2が運動ニューロンに作用した後、シナプス前膜タンパク質シナプトフィジン(緑色)とシナプスタンパク質蛋白PSD−95(赤色)のシナプス面積が全神経突起の面積の25%を占めており、ニューロリギン−2が感覚ニューロンシナプス形成のみに特異的な促進作用をすることを提示した。
実施例2 ニューレキシン−1βとニューロリギン−1、ニューロリギン−2の併用によるシナプス形成への促進作用の考察
運動ニューロンと感覚ニューロンをそれぞれ10d体外培養した後、以下のように組を分け、それぞれ運動ニューロンと感覚ニューロン培地にニューレキシン−1βとニューロリギン−1、ニューロリギン−2を加えた。
運動ニューロン群:
(1)ニューレキシン−1β(最終濃度200ng/mL)+ニューロリギン−1(最終濃度200ng/mL)、
(2)ニューレキシン−1β(最終濃度1μg/mL)+ニューロリギン−1(最終濃度200ng/mL)、
(3)ニューレキシン−1β(最終濃度1μg/mL)。
感覚ニューロン群:
(4)ニューレキシン−1β(最終濃度200ng/mL)+ニューロリギン−2(最終濃度200ng/mL)、
(5)ニューレキシン−1β(最終濃度1μg/mL)+ニューロリギン−2(最終濃度200ng/mL)、
(6)ニューレキシン−1β(最終濃度1μg/mL)。
24h継続して培養した。免疫細胞化学染色の結果は図2に示す通りであり、図2Aは、異なる濃度のニューレキシン−1β(最終濃度1μg/mL)が単独作用するか、又はニューレキシン−1β(最終濃度1μg/mL又は200ng/mL)がそれぞれニューロリギン−1(最終濃度200ng/mL)及びニューロリギン−2(最終濃度200ng/mL)と運動ニューロン及び感覚ニューロンに共同作用し、免疫細胞化学染色によるシナプス関連タンパク質シナプトフィジンとPSD−95の分布及び表現状況を観察し、図2Bは、異なる濃度のニューレキシン−1βが単独作用するか、又はそれぞれニューロリギン−1及びニューロリギン−2と運動ニューロン及び感覚ニューロンに共同作用し、シナプス前膜タンパク質シナプトフィジンとシナプス後膜タンパク質PSD−95のシナプス面積が全神経突起の面積に占める百分率の棒グラフである。結果が示すように、(ニューロリギン−1とニューレキシン−1β質量比が1:1の時、運動ニューロンのシナプス前膜タンパク質シナプトフィジン(緑色)とシナプス後膜タンパク質PSD−95(赤色)に対するシナプス面積が全神経突起の面積の33%を占め、ニューロリギン−1とニューレキシン−1βとの質量比が1:5の時、運動ニューロンのシナプス前膜蛋白Synaptophysin(緑色)とシナプス後膜蛋白PSD−95(赤色)に対するシナプス面積が全神経突起の面積の90%を占める。最終濃度1μg/mLのニューレキシン−1βは、運動ニューロンのシナプス前膜タンパク質シナプトフィジン(緑色)とシナプス後膜タンパク質PSD−95(赤色)に対するシナプス面積が全神経突起の面積の26%を占める。
ニューロリギン−2とニューレキシン−1βとの質量比が1:1の時、感覚ニューロンのシナプス前膜タンパク質シナプトフィジン(緑色)とシナプス後膜タンパク質PSD−95(赤色)に対するシナプス面積が全神経突起の面積の38%を占め、ニューロリギン−2とニューレキシン−1βとの質量比が1:5の時、感覚ニューロンのシナプス前膜蛋白Synaptophysin(緑色)とシナプス後膜蛋白PSD−95(赤色)に対するシナプス面積が全神経突起の面積の85%を占める。最終濃度1μg/mLのニューレキシン−1βは、感覚ニューロンのシナプス前膜タンパク質シナプトフィジン(緑色)とシナプス後膜タンパク質PSD−95(赤色)に対するシナプス面積が全神経突起の面積の23%を占める。
結果が示すように、ニューレキシン−1βとニューロリギン−1、ニューロリギン−2を併用するとシナプス形成に促進作用を有し、特にニューロリギン−1/ニューロリギン−2とニューレキシン−1βとの質量比が1:5の時、シナプス形成を促進する協同作用を最適に発揮できる。
実施例3 本発明に係る差異性組織工学神経の構築
1.ニューロリギン−1、ニューロリギン−2とニューレキシン−1βリコンビナントタンパク質含有徐放性微小球の調製
ポリ乳酸−グリコール酸共重合体(PLGA,乳酸:エタノールのモル比が53:47、分子量[MW]25kDa)。PLGA微小球は、水/油/水の多重エマルジョン法により調製した。100mgのPLGAを1mLのジクロロメタンに溶解し、続いて3mLの7%(w/v)ポリビニルアルコール(PVA)水溶液に乳化し、1分間超音波処理して第1段階の乳液を作製した。続いて、上記溶液を50mLの1%(w/v)ポリビニルアルコール(PVA)水溶液(2%のイソプロピルアルコール含有)に加え、再び3分間超音波処理により、第2段階の乳液を形成した。室温で、前記第2段階の乳液をゆっくり1晩撹拌し、残存するジクロロメタンをきれいに揮発した。13,000rpm、5分、4℃の遠心沈殿によってPLGA微小球を得た。ddHOで2回洗浄し、ddH2Oを0.4mL加えて再懸濁して予備とした。
調製された0.4mLのPLGA微小球水溶液(10mg/mL)とポリエーテルイミド(PEI,Mw1/4分子量25kDa)をddHOに共溶解させ、得られた溶液をPLGA微小球溶液に異なる窒素/リン比で加え、少し渦を加えた。PEI修飾のPLGA微小球溶液を得て、室温で20minインキュベートした。13,000rpm、5分、4℃で遠心させ、沈殿した後ddHOで2回洗浄し、0.4mLのddHOで再懸濁した。1mLPEI修飾のPLGA微小球水溶液(10mg/mL)をそれぞれ10μL 200ng/mL−1μg/mLのニューロリギン−1(Recombinant Rat NLGN1 Protein,Creative Biomart,Catalog#NLGN1−3995R)、200ng/mL−1μg/mL ニューロリギン−2(Recombinant Rat NLGN2 Protein,Creative Biomart,Catalog#NLGN2−3996R)と200ng/mL−5μg/mL ニューレキシン−1β(Recombinant Rat Neurexin−1−beta,Cusabio,Catalog#Q63373)のリコンビナントタンパク質溶液と混合し、室温で90minインキュベートし、それぞれニューロリギン−1、ニューロリギン−2とニューレキシン−1βリコンビナントタンパク質PEI修飾のPLGA徐放性微小球を形成した。
2.「Comparative transcriptomic profiling of peripheral efferent and afferent nerve fibres at different developmental stages in mice」(Scientific Reports,2018,10;8(1):11990.doi:10.1038)、「Differential Gene Expression in Primary Cultured Sensory and Motor Nerve Fibroblasts」(Frontiers in Neuroscience,2019,Jan 9;12:1016.doi:10.3389)、「Comparison in the biological characteristics between primary cultured sensory and motor Schwann cells」(Neuroscie Lett.,2012,521(1):57〜61)を参照して、ラットの運動神経由来のシュワン細胞及び/又は線維芽細胞と感覚神経由来のシュワン細胞及び/又は線維芽細胞を調製した。
3.3Dバイオプリンティングによる差異性組織工学神経の構築
3.1.徐放性微小球含有絹フィブロイン繊維の調製
カイコ(Bombyx mori)蚕糸を通常に0.05MのNaCO水溶液で2回沸騰させ、30分ごとに蚕糸のセリシンを十分に除去し、脱イオン水で十分に洗浄し、室温で乾燥させた後、絹繊維SFが得られ、絹繊維の直径が10〜30μmで、高温高圧滅菌後に予備とした。
天然、無毒、相溶性良好のゲニピン(genipin)を生物架橋剤とし、ニューロリギン−1、ニューロリギン−2とニューレキシン−1βリコンビナントタンパク質含有徐放性微小球を絹フィブロイン繊維に固定させ、ニューロリギン−1、ニューロリギン−2とニューレキシン−1βリコンビナントタンパク質含有徐放性微小球の絹フィブロイン繊維を得た(徐放性微小球の使用量を調整することで神経線維上のニューロリギン−1、ニューロリギン−2とニューレキシン−1βの比率を制御して経シナプスシグナル分子の含有量が同じな微小球を調製することができる)。但し、架橋剤のゲニピンは両官能基によって、それぞれ絹フィブロイン及びPLGA側鎖とアミノ作用し、PEI修飾のPLGA徐放微小球を絹フィブロイン繊維に固定する。
3.2 絹フィブロイン/ゼラチン溶液をキャリアとし、運動神経由来のシュワン細胞及び/又は線維芽細胞と感覚神経由来のシュワン細胞及び/又は線維芽細胞を複合し、3Dプリンティング用の機能性バイオインクを調製した。ラットの坐骨神経骨格のデジタルプリント指示をインクジェット式3Dバイオプリンターに出力し、機能性バイオインクで構造/微小環境の二重生体模倣の組織工学神経移植片をプリントした。
(1)絹フィブロイン溶液を調製する。蚕糸を80℃の水浴で電磁撹拌してモル比がCaCl:HO:COH=1:8:2の三元溶液中に完全に溶解する。絹フィブロイン溶液を40℃のLiBr水溶液に2h溶解し、透析袋外の脱イオン水の電気伝導率が基本的に変わらなくなるまで、透析袋に置いて脱イオン水によって連続的に3d透析し、質量分率が4%の絹フィブロイン溶液を得た。
(2)ゼラチン溶液を調製する。15gのゼラチン材料を量り、撹拌しながらゆっくりと100gのHO中に加え、充分に膨潤した後80℃程度に加熱して加速溶解し、3h保温して均質な高分子溶液を得、高圧蒸気で滅菌した後に予備とした。
(3)絹/ゼラチン溶液と細胞培養液の混合液を調製する。第3代まで培養したシュワン細胞と線維芽細胞を0.25%のトリプシンで消化した後、15mLの遠心管に収集し、1000r/分で5分間遠心分離し、上清液を捨て、体積比1:100で細胞濃度が5×10〜5×10細胞/mLの細胞培養液を絹/ゼラチン溶液に移して、運動神経由来の細胞を均一に撹拌して第1混合液Aを形成し、感覚由来の細胞を均一に第2混合液Bを形成した。
(4)それぞれ第1混合液Aと第2混合液Bをプリンターの2つの異なる注射器にセットし、プリンターの運転手順を設定する。マイクロポンプで機能性バイオインクを制御して、安定流量が180μl/minであり、プリンターノズルの直径が200μmであり、細胞が自由に通過できて詰まることがなく、過給機のパルス周波数が15vであり、細胞活力に影響しない。プリンターヘッドのXY軸方向の移動速度が1〜50mm/sである。プリンターヘッドのZ軸方向の移動速度が100〜500μmである。プリンターヘッドのXY軸方向のプリント終了後と、Z軸方向のプリント開始前との時間間隔を2分内に制御した。
(5)シャーレの表面で細胞と絹/ゼラチン溶液の混合液を順にプリントした。環境温度が20℃、相対湿度が65%であり、架橋成形時間が5〜10minであり、管径が1〜9mm、壁厚が0.5〜1mmである。
(6)それぞれニューロリギン−1とニューレキシン−1β組換えタンパク質含有徐放性微小球の絹フィブロイン懸糸を3Dプリンティングの類似運動神経の神経上管内に固定させ、ニューロリギン−2とニューレキシン−1β組換えタンパク質含有徐放性微小球の絹フィブロイン懸糸を3Dプリンティングの類似感覚神経の神経上管内に固定して、Y字状カテーテルを形成し、図3に示すように、組合構築により差異性組織工学神経を得た。
実施例4 本発明に係る差異性組織工学神経の神経損傷修復への応用
1.坐骨神経損傷モデルを調製する。
SPFクラスの雄SDラットを5組にランダムに分けた(n=6):
(1)運動・感覚混合群(Mixed)、類似運動神経と類似感覚神経線維を従来の円柱形状の生物材料を骨格とする神経カテーテル内に混合し、特に類似運動神経と類似感覚神経を区別しない。ここで、類似運動神経と類似感覚神経のシュワン細胞及び/又は線維芽細胞の数との比が1:3であり、類似運動神経線維ニューロリギン−1とニューレキシン−1βとの質量比が1:5であり、類似感覚神経線維ニューロリギン−2とニューレキシン−1βとの質量比が1:5である。細胞数と因子比率はいずれも最適化の運動・感覚特異組織工学神経群(optimized TENG)と同じであるが、特に類似運動神経と類似感覚神経を区別することなく、従来のカテーテル内に混合した。
(2)運動・感覚特異組織工学神経群(TENG)、実施例3の方法で調製されたY字状の骨格で類似運動神経と類似感覚神経を区別し、かつ類似運動神経と類似感覚神経のシュワン細胞及び/又は線維芽細胞の数との比が1:1であり、類似運動神経線維ニューロリギン−1とニューレキシン−1βとの質量比が1:5であり、類似感覚神経線維ニューロリギン−2とニューレキシン−1βとの質量比が1:5である。
(3)最適化の運動・感覚特異組織工学神経群(optimized TENG)、実施例3の方法で調製されたY字状の骨格で類似運動神経と類似感覚神経を区別し、かつ類似運動神経と類似感覚神経のシュワン細胞及び/又は線維芽細胞の数との比が1:3であり、類似運動神経線維ニューロリギン−1とニューレキシン−1βとの質量比が1:5であり、類似感覚神経線維ニューロリギン−2とニューレキシン−1βとの質量比が1:5である。
(4)単純材料群(Scaffold)は、陰性対照群である。すなわち、骨格材料の絹/ゼラチンを使用して構築された神経外のカテーテルであり、材料に混合された相応する支持細胞がなく、内部が中空であり、徐放性微小球又は細胞因子がない。
(5)自家移植片(Autograft)は、陽性対照群である。すなわち切除した10mmの坐骨神経を、長軸を中心に元の位置で水平方向に反転させた後、断端縫合した。
従来の手術により、ラット坐骨神経10mm破損モデルを調製した。
2.術後運動機能回復の評価
電気生理学による複合筋活動電位の機能検査(compound muscle action potentials,CMAPs)
術後12w、室温でラットに電気生理検査を行う。ラットの体重を量り、麻酔薬混合物(ラットは体重100グラムあたり0.2〜0.3mL)を腹腔内注射し、麻酔が成功した後、坐骨神経を暴露し、ガラス分離針で坐骨神経を慎重に分離し、記録電極を腓腹筋の筋腹に刺し、干渉電極をラットの膝での皮膚表面に置き、順に刺激電極をけがした近、遠位坐骨神経幹に置き、神経を刺激し、複合筋活動電位(compound muscle action potentials,CMAPs)を記録した。CMAPs振幅、潜伏期間を測定した。同じ方法で、正常側のCMAPs振幅と潜伏期間を記録した。CMAPsの神経線維が支配した標的筋の神経線維と比例している。
電気生理学で複合筋活動電位を検査し、結果は図4に示す通りであり、図4Aは、各チーム坐骨神経10mm損傷を修復した術後12週であり、ラット腓腹筋複合筋活動電位(CMAP)を記録した代表図であり、図4Bは、複合筋活動電位振幅であり、各チームが陽性対照の自家移植片(Autograft)に占める百分率の棒グラフである。結果が示すように最適化の運動・感覚特異組織工学神経群(optimized TENG)と陽性対照の自家移植片(Autograft)に顕著な差異がなく、単純材料群(Scaffold)と運動・感覚混合群(Mixed)より顕著に優れており、P<0.01であり、運動・感覚特異組織工学神経群(TENG)群よりも顕著に優れていた。
結果が提示したのは、通常の生理状況では、運動神経線維の回復速度が感覚神経線維より明らかに速いため、臨床上によく見られる運動機能は回復、改善されたが、感覚機能の回復は遅れる現象である。最適化の運動・感覚特異組織工学神経群(optimized TENG)において、感覚神経線維のシュワン細胞と線維芽細胞の支持細胞としての比率を高めることで、類似感覚神経と類似運動神経細胞中の支持細胞の比率が3:1の時、効果が最適であることを実証した。
3.術後感覚機能回復の評価
術後12週目に疼痛挙動の検査を行う。すべての動物挙動実験は「二重盲」の実験設計案を採用する。
(1)機械痛覚異常実験は、Electric Von Frey電子痛覚装置(アメリカStoelting社)up−down法で50%の足を縮める閾値を推定する。有機透明なガラス箱を金属篩網に置き、マウスが有機ガラス箱に30分間適応した後、フォン フレイ(von Frey)繊維糸でマウスの後肢足底中部を垂直に刺激し、1〜2s持続し、マウスが足を上げるか又は足を舐める行為を陽性反応と見なし、そうでない場合を陰性反応と見なす。
機械的疼痛の検査結果は図5Aに示す通りで、結果は術後12週間の機械的痛覚の検査結果を示し、自家移植片(Autograft)はベースライン(base line,正常値は1.0に設定)辺りに近づくまで回復し、最適化の運動・感覚特異組織工学神経群(optimized TENG)と陽性対照の自家移植片(Autograft)に顕著な差異がなく、単純材料群(Scaffold)と運動・感覚混合群(Mixed)及び運動・感覚特異組織工学神経群(TENG)より顕著に優れていた。結果が示すように、最適化の運動・感覚特異組織工学神経群(optimized TENG)の機械的疼痛の回復は、感覚・運動特異組織工学神経群(TENG)より顕著に優れており、類似感覚神経と類似運動神経細胞中の支持細胞の比率が3:1の時、効果が最適であることを実証した。
(2)熱痛覚過敏の実験でマウスを底が3mmの厚ガラス板の不透明な有機ガラス箱(13cm×14cm×9cm)中に入れ、30分間適応させ、マウスの毛づくろいと探査活動が基本的に消えた後、ハーグスリーブ(Hargreaves)法にしたがって熱輻射で刺激して、マウスの足底のガラス板密着部分を照射した。照射が開始してからマウスが足を上げるまでの時間を記録し、カット時間が20sである。平均値を計算し、すなわち逃避潜伏期間(paw withdrawal latency)である。
熱過敏性疼痛の検査結果は図5Bに示す通りで、結果は術後12週間の熱過敏性痛覚の検査結果を示し、自家移植片(Autograft)がベースライン(base line,正常値は1.0に設定)に近づくまで回復し、数値が0.85であり、最適化の運動・感覚特異組織工学神経群(optimized TENG)の数値が0.87であり、陽性対照の自家移植片(Autograft)と顕著な差異がなく、いずれも単純材料群(Scaffold)と運動・感覚混合群(Mixed)及び運動・感覚特異組織工学神経群(TENG)より顕著に優れていた。結果が示すように、最適化の運動・感覚特異組織工学神経群(optimized TENG)の熱過敏性疼痛の回復は、運動・感覚特異組織工学神経群(TENG)より顕著に優れており、類似感覚神経と類似運動神経細胞中の支持細胞の比率が3:1の時、効果が最適であることをさらに実証した。
好ましくは、前記運動神経由来のシュワン細胞及び/又は線維芽細胞の数と感覚神経由来のシュワン細胞及び/又は線維芽細胞の数との比が1:1〜5である。本発明の類似運動神経線維と類似感覚神経線維における神経細胞の再生速度の一致を保証するために、運動神経由来のシュワン細胞及び/又は線維芽細胞の数と感覚神経由来のシュワン細胞及び/又は線維芽細胞の数との比が1:3であることがより好ましい。
本発明の他の目的は、本発明に係る組織工学神経の末梢神経欠損修復材料の調製への使用を提供することである。
(3)絹/ゼラチン溶液と細胞培養液の混合液を調製する。第3代まで培養したシュワン細胞と線維芽細胞を0.25%のトリプシンで消化した後、15mLの遠心管に収集し、1000r/分で5分間遠心分離し、上清液を捨て、体積比1:100で細胞濃度が5×10〜5×10細胞/mLの細胞培養液を絹/ゼラチン溶液に移して、運動神経由来の細胞を均一に撹拌して第1混合液Aを形成し、感覚神経由来の細胞を均一に第2混合液Bを形成した。
(1)運動・感覚混合群(Mixed)、類似運動神経と類似感覚神経線維を従来の円柱形状の生物材料を骨格とする神経カテーテル内に混合し、特に類似運動神経と類似感覚神経を区別しない。ここで、類似運動神経のシュワン細胞及び/又は線維芽細胞の数と類似感覚神経のシュワン細胞及び/又は線維芽細胞の数との比が1:3であり、類似運動神経線維ニューロリギン−1とニューレキシン−1βとの質量比が1:5であり、類似感覚神経線維ニューロリギン−2とニューレキシン−1βとの質量比が1:5である。細胞数と因子比率はいずれも最適化の運動・感覚特異組織工学神経群(optimized TENG)と同じであるが、特に類似運動神経と類似感覚神経を区別することなく、従来のカテーテル内に混合した。
(2)運動・感覚特異組織工学神経群(TENG)、実施例3の方法で調製されたY字状の骨格で類似運動神経と類似感覚神経を区別し、かつ類似運動神経のシュワン細胞及び/又は線維芽細胞の数と類似感覚神経のシュワン細胞及び/又は線維芽細胞の数との比が1:1であり、類似運動神経線維ニューロリギン−1とニューレキシン−1βとの質量比が1:5であり、類似感覚神経線維ニューロリギン−2とニューレキシン−1βとの質量比が1:5である。
(3)最適化の運動・感覚特異組織工学神経群(optimized TENG)、実施例3の方法で調製されたY字状の骨格で類似運動神経と類似感覚神経を区別し、かつ類似運動神経のシュワン細胞及び/又は線維芽細胞の数と類似感覚神経のシュワン細胞及び/又は線維芽細胞の数との比が1:3であり、類似運動神経線維ニューロリギン−1とニューレキシン−1βとの質量比が1:5であり、類似感覚神経線維ニューロリギン−2とニューレキシン−1βとの質量比が1:5である。

Claims (10)

  1. 差異性組織工学神経において、類似運動神経と類似感覚神経とを含み、
    前記類似運動神経は、類似運動神経の神経上管と神経上管内の類似運動神経線維を含み、前記類似運動神経の神経上管の表面又は孔隙内に、運動神経由来のシュワン細胞及び/又は線維芽細胞が含まれており、前記類似運動神経線維の表面又は孔隙内に、経シナプスシグナル分子ニューロリギン−1が含まれており、
    前記類似感覚神経は、類似感覚神経の神経上管と神経上管内の類似感覚神経線維を含み、前記類似感覚神経の神経上管の表面又は孔隙内に、感覚神経由来のシュワン細胞及び/又は線維芽細胞が含まれており、前記類似感覚神経線維表面又は孔隙内に、経シナプスシグナル分子ニューロリギン−2が含まれていることを特徴とする、差異性組織工学神経。
  2. 前記運動神経由来のシュワン細胞及び/又は線維芽細胞と感覚神経由来のシュワン細胞及び/又は線維芽細胞の数との比が1:1〜5であることを特徴とする、請求項1に記載の差異性組織工学神経。
  3. 前記運動神経由来のシュワン細胞及び/又は線維芽細胞と感覚神経由来のシュワン細胞及び/又は線維芽細胞の数との比が1:3であることを特徴とする、請求項2に記載の差異性組織工学神経。
  4. ニューロリギン−1とニューロリギン−2との質量比が1:1であることを特徴とする、請求項1に記載の差異性組織工学神経。
  5. 前記類似運動神経線維及び/又は類似感覚神経線維表面又は孔隙内に、経シナプスシグナル分子ニューレキシン−1βがさらに含まれていることを特徴とする、請求項1に記載の差異性組織工学神経。
  6. 前記類似運動神経線維におけるニューロリギン−1とニューレキシン−1βとの質量比が1:0.01〜10であり、前記類似感覚神経線維におけるニューロリギン−2とニューレキシン−1βとの質量比が1:0.01〜10であることを特徴とする、請求項5に記載の差異性組織工学神経。
  7. 前記類似運動神経線維におけるニューロリギン−1とニューレキシン−1βとの質量比が1:5であり、前記類似感覚神経線維におけるニューロリギン−2とニューレキシン−1βとの質量比が1:5であることを特徴とする、請求項6に記載の差異性組織工学神経。
  8. 前記経シナプスシグナル分子ニューロリギン−1、ニューロリギン−2及びニューレキシン−1βは、微小球内に包埋されていることを特徴とする、請求項5に記載の差異性組織工学神経。
  9. 前記類似運動神経と類似感覚神経は、平坦状、Y字状、樹木状、櫛歯状のうちの一種又は複数種の形状の多分岐状をなすように配置されていることを特徴とする、請求項1乃至8のいずれか一項に記載の差異性組織工学神経。
  10. 請求項1乃至9のいずれか一項に記載の組織工学神経の末梢神経欠損修復への使用。
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