多機能ゲルによる関節軟骨自然再生誘導法の最適化に関わる機序の解明と制御

• Project/Area Number: 15H03014
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Biomedical engineering/Biomaterial science and engineering
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 北村 信人 北海道大学, 医学研究院, 准教授 (80447044)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): グン 剣萍 北海道大学, 先端生命科学研究院, 教授 (20250417) ; 津田 真寿美 北海道大学, 医学研究科, 講師 (30431307) ; 黒川 孝幸 北海道大学, 先端生命科学研究院, 准教授 (40451439) ; 仙葉 愼吾 北海道大学, 医学研究科, 特任助教 (40466496)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Declined (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥16,770,000 (Direct Cost: ¥12,900,000、Indirect Cost: ¥3,870,000); Fiscal Year 2017: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000); Fiscal Year 2016: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2015: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000)
• Keywords: 生体材料 / 再生医学 / 軟骨再生

Outline of Annual Research Achievements

軟骨基質高分子であるコンドロイチン硫酸（CS）、ヒアルロン酸（HA）を複合化したCS-DNゲル、HA-DNゲルを皮下および筋肉内に埋植し、その生体内劣化と組織適合性について検討した。埋植前の圧縮力学試験では、HA-DNゲルは破断強度7.90MPa、弾性率0.72MPaと従来のDNゲルより高い値を示し、CS-DNゲルの力学特性（破断強度2.47MPa、弾性率0.35MPa）より有意に高い値を示した（p<0.0001）。家兎10羽を用いた皮下埋植試験では、HA-DNゲルの力学特性は術後6週で有意に低下した（p<0.0001）。一方のCS-DNゲルは皮下埋植により力学特性の有意な変化は認めなかった。別の家兎21羽を用いた筋肉内埋植による生体内適合試験では、HA-DNゲルはほとんど炎症を生じなかったのに対し、CS-DNゲルは術後1週で陰性対照およびHA-DNゲルに対し有意に高い炎症を示した（p<0.0001、ｐ＝0.0043）。術後4週以降の炎症は陰性対照と同等となった。これらのDNゲル上でATDC5細胞を培養したところ、軟骨分化誘導因子（インスリン）の添加なしに、培養3日で2型コラーゲン、アグリカンの有意な発現上昇が認められた。これらの結果から、HA-DNゲル、CS-DNゲルは優れた生体適合性とともに軟骨分化誘導能を有することが明らかとなった。さらにこれら新規DNゲル上でATDC5細胞を培養しゲルが誘導する軟骨分化過程の細胞代謝を解析した。軟骨分化マーカーは培養早期より発現亢進が認められたが、ヒアルロン酸合成酵素やアポトーシス関連遺伝子には一定の挙動認められなかった。LC3、beclin1は培養12～24時間で対照に比べ高い発現を示し分化過程初期にオートファジー制御が関与していることが示唆された。

Research Progress Status

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Fundamental Biomaterial Properties of Tough Glycosaminoglycan-Containing Double Network Hydrogels Newly Developed Using the Molecular Stent Method (2016)
  • Author(s): Kotaro Higa, Nobuto Kitamura, Takayuki Kurokawa, Keiko Goto, Susumu Wada, Takayuki Nonoyama, Fuminori Kanaya, Kazuyuki Sugahara, Jian Ping Gong, Kazunori Yasuda
  • Journal Title: Acta Biomaterialia Volume: 43 Pages: 38-49
  • DOI: 10.1016/j.actbio.2016.07.023
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Hydroxyapatite-coated Double Network Hydrogel Directly Bondable to the Bone: Biological and Biomechanical Evaluations of the Bonding Property in an Osteochondral Defect (2016)
  • Author(s): Susumu Wada, Nobuto Kitamura, Takayuki Nonoyama, Ryuji Kiyama, Takayuki Kurokawa, Jian Ping Gong, Kazunori Yasuda
  • Journal Title: Acta Biomaterialia Volume: 44 Pages: 125-134
  • DOI: 10.1016/j.actbio.2016.08.016
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Synthetic PAMPS gel activates BMP/Smad signaling pathway in ATDC5 cells, which plays a significant role in the gel-induced chondrogenic differentiation. (2016)
  • Author(s): Goto K, Kimura T, Kitamura N, Semba S, Ohmiya Y, Aburatani S, Matsukura S, Tsuda M, Kurokawa T, Gong JP, Tanaka S, Yasuda K.
  • Journal Title: J Biomed Mater Res A Volume: 未定 Issue: 3 Pages: 734-746
  • DOI: 10.1002/jbm.a.35615
  • NAID: 120005981343
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Double network hydrogels strongly bondable to bones by spontaneous osteogenesis penetration (2016)
  • Author(s): Nonoyama T, Wada S, Kiyama R, Kitamura N, Mredha TI, Zhang X, Kurokawa T, Nakajima T, Takagi Y, Yasuda K, Gong JP
  • Journal Title: Adv Mater Volume: 印刷中
  • NAID: 120005828465
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] In vivo cartilage regeneration induced by a double-network hydrogel: Evaluation of a novel therapeutic strategy for femoral articular cartilage defects in a sheep model. (2016)
  • Author(s): Kitamura N, Yokota M, Kurokawa T, Gong JP, Yasuda K
  • Journal Title: J Biomed Mater Res A Volume: 印刷中 Issue: 9 Pages: 2159-2165
  • DOI: 10.1002/jbm.a.35745
  • NAID: 120006337741
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Effects Of Osteochondral Defect Size On Cell-free Cartilage Regeneration Using A Double-network Hydrogel (2017)
  • Author(s): Higa K, Kitamura N, Goto K, Kai S, Kurokawa T, Gong JP, Kanaya F, Yasuda K
  • Organizer: The 63rd Annual Meeting of the Orthopaedic Research Society
  • Place of Presentation: San Diego Convention Center, San Diego, CA, USA
  • Year and Date: 2017-03-19
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Bone Bonding Double-network Hydrogel For Cell-free Cartilage Regeneration: Influences Of The Gel Thickness On The Regeneration Process In Vivo (2017)
  • Author(s): Wada S, Kitamura N, Nonoyama T, Kiyama R, Goto K, Kurokawa T, Gong JP, Yasuda K
  • Organizer: The 63rd Annual Meeting of the Orthopaedic Research Society
  • Place of Presentation: San Diego Convention Center, San Diego, CA, USA
  • Year and Date: 2017-03-19
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ハイドロキシアパタイト複合化PAMPS PDMAAmダブルネットワークゲル人工軟骨の関節内におけるin vivo 骨接着性評価 (2016)
  • Author(s): 和田進、北村信人、野々山貴行、木山竜二、仙葉慎吾、小野寺純、横田正司、後藤佳子、比嘉浩太郎、黒川孝幸、Jian Ping Gong、安田和則
  • Organizer: 第31回日本整形外科学会基礎学術集会
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場（福岡県福岡市）
  • Year and Date: 2016-10-14
• [Presentation] 軟骨基質高分子を複合化したダブルネットワークゲルの生体材料特性評価：軟骨再生誘導材料としての可能性 (2016)
  • Author(s): 比嘉浩太郎、北村信人、後藤佳子、黒川孝幸、和田進、野々山貴行、Jian Ping Gong、金谷文則、安田和則
  • Organizer: 第31回日本整形外科学会基礎学術集会
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場（福岡県福岡市）
  • Year and Date: 2016-10-14
• [Presentation] 高強度ダブルネットワークゲル人工軟骨の生体内骨接着プロセスとそのメカニズムの解明 (2016)
  • Author(s): 和田進、北村信人、野々山貴行、木山竜二、黒川孝幸、仙葉慎吾、後藤佳子、小野寺純、Jian Ping Gong、安田和則
  • Organizer: 第43回日本臨床バイオメカニクス学会
  • Place of Presentation: 北海道立道民活動センターかでる2・7（北海道札幌市）
  • Year and Date: 2016-10-08
• [Presentation] 軟骨基質高分子を複合化したダブルネットワークゲルの生体内における力学特性の評価 (2016)
  • Author(s): 比嘉浩太郎、北村信人、後藤佳子、黒川孝幸、野々山貴行、和田進、Jian Ping Gong、金谷文則、安田和則
  • Organizer: 第43回日本臨床バイオメカニクス学会
  • Place of Presentation: 北海道立道民活動センターかでる2・7（北海道札幌市）
  • Year and Date: 2016-10-08
• [Presentation] Anchorage of double-network hydrogel artificial cartilage to underlying bone using a surface osteoconductive approach: In vivo evaluation of the bonding behavior (2016)
  • Author(s): Wada S, Kitamura N, Nonoyama T, Kiyama R, Kurokawa T, Gong JP, Yasuda K
  • Organizer: The 62nd Annual Meeting of the Orthopaedic Research Society
  • Place of Presentation: Florida Disney's Coronado Springs Resort, Orland, FL, USA
  • Year and Date: 2016-03-05
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Biomaterial properties of novel glycosaminoglycan-containing double network hydrogels: Potential materials for inducing cartilage regeneration (2016)
  • Author(s): Higa K, Kitamura N, Goto K, Kurokawa T, Wada S, Nonoyama T, Gong JP, Kanaya F, Yasuda K
  • Organizer: The 62nd Annual Meeting of the Orthopaedic Research Society
  • Place of Presentation: Florida Disney's Coronado Springs Resort, Orland, FL, USA
  • Year and Date: 2016-03-05
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ハイドロキシアパタイト複合化PAMPS/PDMAAmダブルネットワークゲル人工軟骨の圧縮力学特性と生体内骨接着の検討 (2015)
  • Author(s): 和田進、北村信人、野々山貴行、木山竜二、小野寺純、仙波慎吾、横田正司、後藤佳子、高橋恒存、比嘉浩太郎、舛田哲朗、黒川孝幸、Jian Ping Gong、安田和則
  • Organizer: 第42回臨床バイオメカニクス学会
  • Place of Presentation: ソラシティカンファレンスセンター（東京都千代田区）
  • Year and Date: 2015-11-13
• [Presentation] バイオミネラリぜーションにより複合化したハイドロキシアパタイトコーティングPAMPS/PDMAAｍダブルネットワークゲルの骨接着性の評価 (2015)
  • Author(s): 和田進、北村信人、野々山貴行、木山竜二、仙波慎吾、比嘉浩太郎、黒川孝幸、Jian Ping Gong、安田和則
  • Organizer: 第30回日本整形外科学会基礎学術集会
  • Place of Presentation: 富山市民プラザ（富山県富山市）
  • Year and Date: 2015-10-22
• [Presentation] 骨接着可能なハイドロキシアパタイト複合化PAMPS/PDMAAｍダブルネットワークゲル人工軟骨の生体力学的検討 (2015)
  • Author(s): 和田進、北村信人、野々山貴行、木山竜二、比嘉浩太郎、黒川孝幸、Jan Ping Gong、安田和則
  • Organizer: 第129回北海道整形災害外科学会
  • Place of Presentation: 北海道大学学術交流会館（北海道札幌市）
  • Year and Date: 2015-06-13
• [Remarks] Global Station for Soft Matter
  • URL: https://gi-core.oia.hokudai.ac.jp/gss/
• [Remarks] ORS New Investigator Recognition Awards (NIRA) 受賞
  • URL: http://www.med.hokudai.ac.jp/awards160309-2/