アイルランドのリムリック大学で開発されたユニークな新素材が、脊髄損傷の治療に大きな可能性を示した。リムリック大学バーナル研究所で行われた全く新しい研究が、2022年11月22日にBiomaterials Researchに掲載され、脊髄組織修復の分野でエキサイティングな進歩を遂げた。このオープンアクセス論文は、「脊髄組織修復のための導電性PEDOTナノ粒子集積足場（Electroconductive PEDOT Nanoparticle Integrated Scaffolds for Spinal Cord Tissue Repair）」と題されている。
リムリック大学で開発されたナノ粒子状の新しいハイブリッドバイオマテリアルが、組織工学分野における既存の実践を基に、脊髄損傷後の修復・再生を促進するための合成に成功した。リムリック大学工学部モーリス・N・コリンズ准教授と筆頭著者のアレキサンドラ・セラフィン氏（リムリック大学博士課程）率いる研究チームは、新しい種類の足場材料と独自の新しい導電性ポリマー複合体を用いて、脊髄損傷の治療を前進させる可能性のある新しい組織の成長・生成を促進させることに成功した。
「脊髄損傷（Spinal Cord Injury: SCI）は、人が生涯に負う可能性のある外傷の中で最も衰弱しやすいものの1つであり、その人の生活のあらゆる側面に影響を及ぼす。この衰弱性疾患は、損傷レベル以下の麻痺をもたらし、米国だけでも、SCI患者ケアのための年間医療費は97億ドルにのぼる。現在、広く利用できる治療法がないため、この分野の継続的な研究は、患者の生活の質を向上させる治療法を見つけるために非常に重要であり、研究分野は、新しい治療戦略のための組織工学に目を向けている。」
「組織工学の分野は、提供される臓器や組織の不足という世界的な問題の解決を目指しており、その中で、導電性バイオマテリアルという新しいトレンドが生まれた。体内の細胞は電気刺激によって影響を受けるが、特に心筋細胞や神経細胞のような導電性の性質を持つ細胞はその影響を受ける」とコリンズ准教授は説明している。
研究チームは、細胞が導電性の足場にさらされると、細胞の成長と増殖が改善されることから、導電性の組織工学的足場の使用に対する関心が高まっていると説明した。
「このような治療戦略を開発するために生体材料の導電性を高めるには、通常、カーボンナノチューブなどの導電性成分や、これまで組織工学分野で使用されてきた市販の導電性ポリマーであるPEDOT:PSSなどの導電性ポリマーを添加する」と、リムリック大学理工学部所属の筆頭著者のセラフィン氏は説明した。
「PEDOT:PSSポリマーをバイオメディカル用途で使用する場合、残念ながら大きな制約がある。このポリマーは、水溶性であることをPSS成分に依存しているが、この材料を体内に移植した場合、生体適合性に劣ることが分かっている。つまり、このポリマーに触れると、体内で毒性反応や免疫反応が起こる可能性があり、再生しようとしているすでに損傷した組織には理想的とは言えない。このため、導電性足場を作るためにどのハイドロゲル成分をうまく組み込むことができるかは、非常に限られている」と彼女は付け加えた。
この制限を克服するために、本研究では新しいPEDOTナノ粒子を開発した。導電性PEDOTナノ粒子の合成により、水溶性のためにPSSを必要とすることなく、所望の細胞応答を得るためにナノ粒子表面を調整し、どのハイドロゲル成分を組み込むことができるかの可変性を高めることができる。
本研究では、コリンズ教授がリムリック大学で長年培ってきたゼラチンと免疫調整作用のあるヒアルロン酸からなるハイブリッド生体材料に、開発した新規PEDOTナノ粒子を組み合わせ、脊髄損傷の修復を目的とした生体適合性の導電性足場材料を作成した。
セラフィン氏は、本プロジェクトのパートナーであるカリフォルニア大学サンディエゴ校の神経科学部門とのフルブライト交換研究において、ラットの脊髄損傷モデルを用いた生体内研究など、損傷部位での性能を最適化するために精密に設計されたこれらの足場の構造、特性、機能の関係について、全面的に研究を実施した。
「生体材料にPEDOTナノ粒子を導入することで、サンプルの導電性が向上した。さらに、移植された材料の機械的特性は、組織工学的戦略において関心のある組織を模倣する必要があり、開発されたPEDOTナノ粒子足場は、生来の脊髄の機械的値に一致した」と説明している。
開発したPEDOTナノ粒子足場について、in-vitroでは幹細胞、in-vivoでは脊髄損傷モデル動物を用いて生物学的反応を調べた。その結果、足場上に優れた幹細胞の接着と増殖が確認されたという。
この研究では、PEDOTナノ粒子足場が埋め込まれた脊髄損傷部位への軸索細胞の移動が大きく、足場がない損傷モデルよりも瘢痕化と炎症のレベルが低いことが示されたという。
全体として、この結果は、これらの材料が脊髄修復に利用できる可能性を示していると、研究チームは述べている。
「脊髄損傷が患者の生活に与える影響は、身体的なものだけでなく、精神的なものにも及ぶ。脊髄損傷は患者の精神状態に深刻な影響を与え、うつ病やストレス、不安の発生率を高めるからだ。脊髄損傷の治療は、患者が再び歩いたり動いたりすることを可能にするだけでなく、自分たちの可能性を最大限に発揮して人生を送ることを可能にするものだ。さらに、脊髄損傷に効果的な治療法を提供することで、社会全体への影響も大きく、患者の治療に関わる医療費の削減につながるだろう。これらの結果は、患者にとって心強い展望となり、この分野での更なる研究が計画されている。」とセラフィン氏は説明した。
「脊髄損傷の遠位端にある運動ニューロンの興奮性閾値は高くなる傾向があることが研究により示されている。今後のプロジェクトでは、足場の設計をさらに改善し、足場内に導電性勾配を作り、病巣の遠位端に向かって導電性を高め、ニューロンの再生をさらに刺激する予定だ」とセラフィン氏は付け加えた。
このプロジェクトは、ジョンソン・エンド・ジョンソンとの提携によるアイルランド研究評議会、およびアイルランド・フルブライト協会からの資金援助を受け、カリフォルニア大学サンディエゴ校への研究交換を実現した。また、リムリック大学理工学部とヘルスリサーチインスティテュートからも支援を受けている。
