本稿では2016～2024年の6件の原著論文を選定し、中国、英国、米国、アイルランド、韓国のチームおよび共同研究を対象に叙述的レビューを行った。「その他の組織」については骨格筋培養を例として挙げ、選定された文献は材料、in vitro、および動物研究をカバーするが、ヒトにおける治療効果試験は含まない。
01腱、軟骨、および筋肉には、それぞれ異なる構造設計が必要である
これらの分野はいずれも繊維構造を利用できるが、「性能が高いほど良い」という共通の判断基準を適用することはできない。腱と靭帯の研究では、軸方向に沿った引張特性と細胞配向が注目されることが多い。軟骨研究では、圧縮、層状構造、および基質形成を同時に扱う必要がある。骨格筋研究では、細胞配向、筋管形成、および血管関連細胞との共培養が関連付けられる。1,2,3,4,5,6
| 応用分野 | 研究における構造形式 | 対応する評価 |
|---|---|---|
| 腱と靭帯の修復 | 配向膜、巻取繊維束、編組・エレクトロスピニング複合構造 | 引張、組織の侵入、コラーゲン配向、および修復強度 1,2 |
| 軟骨組織工学 | 区分足場、繊維強化基質、核殻担体 | 圧縮、細胞表現型、軟骨基質、および欠損修復 3,4,5 |
| 骨格筋組織工学 | 配向繊維と支持骨格の細胞共培養 | 筋細胞の配列、筋管形成と分化マーカー 6 |
また、腱修復用足場と腱癒着防止膜を区別する必要がある。前者では標的細胞が内部に侵入して整然とした組織を形成することが期待される一方、後者では周囲組織の隔離と滑動界面の保護が重視される。材料名が同じであっても、両タイプの試料における孔構造と表面要件は異なる可能性がある。本稿で議論するのは組織修復構造である。1,2
02エレクトロスピニングは複合足場のどの段階で役割を担うか
エレクトロスピニング層は主体となってもよいし、接触誘導、界面調整、または局所送達のみを担ってもよい。配向膜はさらに巻取って束にし、より太い糸で織られた構造と複合させることができる。軟骨に応用する場合、エレクトロスピニング繊維を短繊維状に分散させ、印刷可能な基質に加えることも可能である。プロセスを選択する前に、繊維を連続状態、束状、層状に保つか、あるいは強化成分として分散させるかを決定すべきである。1,2,4
複数のプロセスを組み合わせた研究は特に注目に値する。編み込み骨格や印刷構造はより大きなスケールの形状と支持を提供し、細い繊維は細胞接触の局所環境を調整する。最終的な効果は複合システム全体に属するものであり、繊維の配向、孔、界面結合、および湿潤状態での力学性能を同時に検証する必要がある。複合足場の全体的な性能を、特定の装置や単一のプロセスに帰属させることはできない。2,3,4,6
03腱と靭帯：配向膜から階層的複合足場へ
同一のPCLでも、配列と巻取方法を変更する
Paulyら2016年は、ランダムまたは配向したPCL繊維で作製した平面膜と巻取繊維束を比較し、幾何学的形態が力学性能と細胞挙動に及ぼす影響を調査した。研究により、構造によって弾性率、降伏挙動、細胞の伸展性が異なること、また脂肪由来幹細胞が7日間の培養で活性を維持し増殖することが判明した。この材料とin vitro研究は、繊維の組織化方法自体が設計変数であり、単なるポリマー配合ではないことを示している。1
本論文では一部の力学指標を天然靭帯の範囲と比較しているが、これは繊維束がすでにヒトにおいて靭帯を代替できることを意味するものではない。長期的に繰り返し引張を受ける修復構造については、初期の引張結果をさらに湿潤状態、疲労、固定方法、および組織との統合性それぞれと関連付ける必要がある。1
支持層を段階的に開放しつつ、配向の手がかりを保持する
Xieら2024年は、PGAと絹糸で構成された段階的分解性編み込み層を、配向誘導を行うエレクトロスピニング層と結合させた。より速く分解する成分が徐々に侵入経路を形成し、エレクトロスピニング層は各段階で細胞とコラーゲンの配列に手がかりを提供する。この研究ではラットの Achilles 腱欠損モデルで組織の浸潤と配列を観察し、8週時点で力学評価を行い、修復の改善を報告した。2
この動物研究が示唆するのは、「移植時の構造」と「分解後の構造」を連続的なプロセスとして設計することである。初期の孔を増やすことやナノ繊維の厚さを増すことだけでは、支持と侵入のバランスを変化させる可能性があるため、時間経過に沿って複合足場全体を観察する必要がある。2
04軟骨修復：区分構造から繊維強化基質へ
プロセスの組み合わせにより異なる構造区分を形成する
英国のチームMunirら2019年は、低温印刷とエレクトロスピニングを組み合わせて、異なる繊維配向と孔構造を持つPCL多区分足場を構築した。間葉系幹細胞は4週間のin vitro培養で接着・生存し、グリコサミノグリカン関連の表現型を維持した。この研究は、区分構造が軟骨培養プラットフォームとして検討されることを支持するものであるが、関節軟骨が動物や患者において正常な機能を回復したことを直接証明するものではない。3
短エレクトロスピニング繊維も三次元足場の強化成分となり得る
Weiming Chenら2020年は、ゼラチン/PLGAエレクトロスピニング繊維を分散短繊維状に処理し、軟骨脱細胞基質の印刷インクに加えたことを報告した。これにより形成された足場は、所望の外形、内部孔構造、および湿潤状態での力学性能を両立させ、ウサギの関節軟骨欠損モデルで修復の改善を報告した。この場合、エレクトロスピニングは主に強化成分を提供し、最終試料は繊維、脱細胞基質、およびその後の成形工程によって構成される。4
コアシェル繊維により軟骨細胞研究に局所放出を導入
Wei Chenら2020年は、同軸エレクトロスピニングを用いて硫酸グルコサミンをPCL繊維に封入し、その構造、放出挙動、およびラット関節軟骨細胞のin vitro応答を調査した。結果は、この材料が特定の培養条件下で細胞増殖を促進する可能性を支持するものであるが、エビデンスは細胞レベルにとどまる。その「軟骨再生」という研究目標を、すでに軟骨欠損を修復したと直接的に表現することはできない。5
05骨格筋研究：配列と細胞の組み合わせを同時に実現する
韓国のチームYeoとKimは2020年、細胞エレクトロスピニングと3D印刷を組みわせ、PCL/コラーゲン支持構造上にヒト臍帯静脈内皮細胞（HUVECs）を含むアルギン酸繊維を構築し、さらにC2C12筋芽細胞を播種して共培養を行った。研究では、細胞の配列、筋管関連形態、および筋形成遺伝子発現の改善が観察され、繊維の配向手がかりと異なる細胞間の協調が結び付けられた。6
これはin vitroの骨格筋組織工学プラットフォームであり、内皮細胞が培養に参加したことをもって灌流可能な血管がすでに構築されたと結論付けることはできない。また、筋管マーカーから筋力の回復を推論することもできない。材料開発に対するこの研究の意義は、それぞれ独立して研究可能な変数を提示したことにある。すなわち、支持構造をどのように固定するか、繊維がどのように細胞を誘導するか、どの種類の細胞をどこに配置するか、そしてその相互作用をどのように検証するかである。6
細胞エレクトロスピニングは、まず無細胞繊維を準備して後に細胞を播種するプロセスとも異なる。前者では、生きた細胞の状態、バイオインク、および操作環境に合わせて特別に設計する必要がある。通常の溶媒系エレクトロスピニングのプロセスパラメータを、生きた細胞系にそのまま適用することはできない。6
06構造の類似性から組織機能へ：エビデンスは段階的に結びつける必要がある
これらの論文は、繊維の配向、区分、および複合化の設計上の価値を共通して示しているが、それぞれが回答する問いは異なる。Paulyの繊維束、Munirの多区分軟骨足場、硫酸グルコサミンコアシェル繊維、およびYeoの共培養プラットフォームは、主に材料またはin vitro実験を根拠としている。一方、Xieの Achilles 腱足場とWeiming Chenの軟骨複合足場は、さらにそれぞれの動物欠損モデルでの研究を展開している。1,2,3,4,5,6
腱の整然としたコラーゲン、軟骨のグリコサミノグリカンやⅡ型コラーゲン、および筋肉の筋形成マーカーは、いずれも修復過程の理解に役立つが、互いに代替できるものではなく、単独で長期的な機能を代表するものでもない。結果を読む際には、組織部位、動物種、評価期間、および対照条件を保持すべきである。本稿で選択した文献にはヒトでの有効性試験は含まれておらず、このことから当該分野に他のヒト研究が存在するか否かを断定するものではない。1,2,3,4,5,6
07組織の要求を、作製および評価可能な試料へと変換する
腱の配向については、まず試料が平面パッチ、巻取繊維束、または編み込み複合材のいずれであるか、また主要な荷重方向と固定方法を説明すべきである。軟骨の配向については、厚さ、区分、圧縮要件、および繊維がハイドロゲルや脱細胞基質と複合されるか否かを記述できる。骨格筋培養については、細胞の種類、配向、および培養支持体から着手できる。異なる情報は、それぞれ異なる収集・複合構成に対応する。
配向試料については、繊維の配向分布および軸方向と横方向の差異を記録すべきである。層状足場については、層間結合と湿潤状態での変形を検査すべきである。短繊維強化系については、繊維の分散、長さ分布、およびその後の成形を合わせて評価すべきである。連続的な作製や面積拡大を行う際には、異なる位置で同様の構造が維持されているかを確認し、平均値によって局所的な差異が覆い隠されるのを防ぐ必要がある。
残留溶媒、洗浄、滅菌の影響と生体適合性は、材料体系と合わせて検討する必要がある。タンパク質、薬剤または生きた細胞を含む場合は、対応する活性と処理への耐性も検証すべきである。工程記録、構造検査、生物学的評価を相互に対応させて初めて、サンプル間の差異がどこに起因するかを判断し、それに基づき装置の機能について議論することができる。1,2,3,4,5,6
08腱、軟骨および筋肉の足場開発におけるよくある問題
配向繊維があれば、腱の再生は実現できるのか
配向は価値ある構造的手がかりであるが、細胞の浸潤、支持の維持、組織のリモデリングとの整合も必要である。平面膜のin vitroの結果と、完全なアキレス腱欠損の修復は、異なるエビデンス段階に属する。1,2
エレクトロスピニングは薄膜しか作れないのか
否。文献には、巻取られた繊維束、編み込みや印刷構造と組み合わせた三次元足場、さらには補強成分としての短繊維も報告されている。最終的な形状は用途に応じて決定し、対応する後処理と連携させる必要がある。1,2,3,4
軟骨の足場は必ずしもコア・シェル型の薬剤担持構造を採用する必要があるのか
必ずしもそうではない。区分された形状、繊維による補強、局所放出は、それぞれ異なる研究アプローチである。まず、解決したいのが細胞分布、湿潤状態での支持、あるいは生物学的成分の送達であるかを明確にし、それに応じて構造を選択すべきである。3,4,5
参考文献
以下は本稿で使用した原著研究であり、TONGLIが独自にまとめたものである。文献の解釈は、論文の著者、研究機関とTONGLIとの間に装置の購入または協力関係があることを示すものではない。具体的な閲覧範囲は各文献の説明を参照のこと。
検索・照合のため、書誌情報は原著の言語で記載しています。
Pauly HM, Kelly DJ, Popat KC, et al. Mechanical properties and cellular response of novel electrospun nanofibers for ligament tissue engineering: Effects of orientation and geometry. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2016;61:258–270.
DOI：10.1016/j.jmbbm.2016.03.022 ↗閲覧範囲：現地の原文全文、およびPubMedと著者所属機関の記録を照合
Xie X, Wang X, Ding D, et al. Multilayer woven scaffolds with gradient degradation and nano guidance properties for tendon reconstruction: Continuously promoting tissue infiltration and inducing tissue alignment. Nano Today. 2024;56:102277.
DOI：10.1016/j.nantod.2024.102277 ↗閲覧範囲：現地の原文全文、編み込み/エレクトロスピニング法、ラットアキレス腱モデル、および8週時点の力学評価を精読。ジャーナルのページも照合
Munir N, McDonald A, Callanan A. A combinatorial approach: Cryo-printing and electrospinning hybrid scaffolds for cartilage tissue engineering. Bioprinting. 2019;16:e00056.
DOI：10.1016/j.bprint.2019.e00056 ↗閲覧範囲：現地の原文全文およびジャーナルの抄録。現地ファイルには2020年の利益相反に関する補足訂正が付属
Chen W, Xu Y, Li Y, et al. 3D printing electrospinning fiber-reinforced decellularized extracellular matrix for cartilage regeneration. Chemical Engineering Journal. 2020;382:122986.
DOI：10.1016/j.cej.2019.122986 ↗閲覧範囲：現地の原文全文、およびジャーナルの原文抄録、方法、結論を照合
Chen W, Wang C, Gao Y, et al. Incorporating chitin derived glucosamine sulfate into nanofibers via coaxial electrospinning for cartilage regeneration. Carbohydrate Polymers. 2020;229:115544.
DOI：10.1016/j.carbpol.2019.115544 ↗閲覧範囲：現地の原文全文、およびPubMedとジャーナル抄録を照合。in vitroの軟骨細胞実験に関するもの
Yeo M, Kim G. Micro/nano-hierarchical scaffold fabricated using a cell electrospinning/3D printing process for co-culturing myoblasts and HUVECs to induce myoblast alignment and differentiation. Acta Biomaterialia. 2020;107:102–114.
DOI：10.1016/j.actbio.2020.02.042 ↗閲覧範囲：現地の原文全文およびPubMedの抄録。in vitroの細胞共培養に関するもの
上記の内容は、公開された論文の分析と解説に基づいている。権利侵害に該当する場合、または原著者が当該内容をこのような形式で公開することを望まない場合は、当社までご連絡ください。速やかに当該内容を削除いたします。