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

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15H03014
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 北村 信人 北海道大学, 医学研究科, 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
• 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): Higa K, Kitamura N, Kurokawa T, Goto K, Wada S, Nonoyama T, Kanaya F, Sugahara K, Gong JP, Yasuda K
  • Journal Title: Acta Biomater Volume: 43 Pages: 38-49
  • DOI: 10.1016/j.actbio.2016.07.023
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [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): Wada S, Kitamura N, Nonoyama T, Kiyama R, Kurokawa T, Gong JP, Yasuda K
  • Journal Title: Acta Biomater Volume: 44 Pages: 125-134
  • DOI: 10.1016/j.actbio.2016.08.016
  • 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 – 2017-03-22
  • 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 – 2017-03-22
  • 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 – 2016-10-15
• [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 – 2016-10-15
• [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 – 2016-10-09
• [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 – 2016-10-09
• [Remarks] Global Station for Soft Matter
  • URL: https://gi-core.oia.hokudai.ac.jp/gss/