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骨組成ハニカムスキャフォールドを用いた人工造血幹細胞ニッチの作製

研究課題

研究課題/領域番号 23K25208
補助金の研究課題番号 22H03954 (2022-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2022-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分90120:生体材料学関連
研究機関九州大学

研究代表者

林 幸壱朗  九州大学, 歯学研究院, 准教授 (80580886)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円)
2025年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
2024年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円)
2023年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円)
2022年度: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円)
キーワードスキャフォールド / ハニカム / 骨髄 / 生体材料 / バイオセラミックス / 造血幹細胞 / アパタイト / 骨 / ニッチ
研究開始時の研究の概要

造血幹細胞の自己複製には造血幹細胞ニッチと呼ばれる微小空間が重要な役割を担っていること、造血幹細胞ニッチは骨内膜近傍に存在することが知られている。申請者は、造血幹細胞を自己複製している造血幹細胞ニッチに学び、骨内膜を裏打ちする骨の化学組成及び構造を模倣したスキャフォールドを作製した。ウサギ骨および筋肉内に移植したところ、骨内膜様組織が形成され、その中に骨髄様組織が維持されることを見出した。すなわち、スキャフォールド内に人工造血幹細胞ニッチが形成された。そこで本研究では、炭酸アパタイトハニカム材料が、造血幹細胞ニッチとして働き、造血機能を回復させることができるかを検証する。

研究実績の概要

血液のがん(例えば白血病)の治療では、造血幹細胞移植が選択されることがある。しかし、細胞数を十分に確保できない場合があり、造血幹細胞を増幅させることが求められている。造血幹細胞の増幅には、造血幹細胞ニッチと呼ばれる微小空間が重要な役割を担っていることが知られている。また、造血幹細胞ニッチは骨髄の中でも骨内膜近傍に存在することが知られている。
本研究では、造血幹細胞の増幅に重要な役割を果たす造血幹細胞ニッチに学び、材料設計を行うことで、造血幹細胞移植に有用な材料を開発することを目的としている。具体的には、骨の化学組成である炭酸アパタイトから成り、骨内膜を裏打ちする構造を模倣したハニカムスキャフォールドを作製した。この炭酸アパタイトハニカムスキャフォールドをウサギの大腿骨に埋植すると全ての気孔内において、気孔壁に沿って一軸に骨が形成し、太い血管が形成された骨の中心部に形成された。これと同様の骨・血管組織は、ウサギやラットの頭蓋部に埋植した際にも形成した。一般に、頭蓋部に多孔質材料を移植すると、軟組織が多孔質材料内に侵入し、骨形成が阻害されるが、炭酸アパタイトハニカムスキャフォールドは骨と血管の形成を著しく促進することから、軟組織の侵入を防ぐことができた。さらに、炭酸アパタイトハニカムスキャフォールド内には、骨だけでなく骨髄も形成することが確認された。形成した骨髄の中には造血幹細胞が存在することが明らかになり、時間経過とともに、造血幹細胞の数が増加した。炭酸アパタイトハニカムスキャフォールド内に形成する造血幹細胞の数は、生体内の骨髄よりも格段に多いことが明らかになった。さらに、炭酸アパタイトハニカムスキャフォールドを、造血機能を喪失した動物に移植したところ、造血機能が回復することが確認された。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

現在のところ、計画通りに研究が進んでいるため、概ね順調に研究が進展していると判断した。

今後の研究の推進方策

当初の計画を変更することなく、研究を遂行する。また、概ね研究成果が得られた段階で、研究成果を学術論文として発表することを計画している。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (23件)

すべて 2024 2023 2022

すべて 雑誌論文 (14件) (うち国際共著 1件、 査読あり 14件、 オープンアクセス 10件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 1件、 招待講演 4件) 産業財産権 (2件) (うち外国 1件)

  • [雑誌論文] Lamellar Septa-like Structured Carbonate Apatite Scaffolds with Layer-by-Layer Fracture Behavior for Bone Regeneration2024

    • 著者名/発表者名
      Taleb Alashkar Ahmad Nazir、Hayashi Koichiro、Ishikawa Kunio
    • 雑誌名

      Biomimetics

      巻: 9 号: 2 ページ: 112-112

    • DOI

      10.3390/biomimetics9020112

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Transformable Carbonate Apatite Chains as a Novel Type of Bone Graft2024

    • 著者名/発表者名
      Hayashi Koichiro、Kishida Ryo、Tsuchiya Akira、Ishikawa Kunio
    • 雑誌名

      Advanced Healthcare Materials

      巻: - 号: 12

    • DOI

      10.1002/adhm.202303245

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Roles of pore architecture of artificial bone grafts in invasion competition between bone and fibrous tissue and orientation of regenerated bone2024

    • 著者名/発表者名
      Shibahara Keigo、Hayashi Koichiro、Nakashima Yasuharu、Ishikawa Kunio
    • 雑誌名

      International Journal of Bioprinting

      巻: - ページ: 2323-2323

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Effects of Space Dimensionality within Scaffold for Bone Regeneration with Large and Oriented Blood Vessels2023

    • 著者名/発表者名
      Hayashi Koichiro、Kishida Ryo、Tsuchiya Akira、Ishikawa Kunio
    • 雑誌名

      Materials

      巻: 16 号: 24 ページ: 7518-7518

    • DOI

      10.3390/ma16247518

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Osseointegration enhancement by controlling dispersion state of carbonate apatite in polylactic acid implant2023

    • 著者名/発表者名
      Zhang Cheng、Hayashi Koichiro、Ishikawa Kunio
    • 雑誌名

      Colloids and Surfaces B: Biointerfaces

      巻: 232 ページ: 113588-113588

    • DOI

      10.1016/j.colsurfb.2023.113588

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Superiority of Triply Periodic Minimal Surface Gyroid Structure to Strut-Based Grid Structure in Both Strength and Bone Regeneration2023

    • 著者名/発表者名
      Hayashi Koichiro、Kishida Ryo、Tsuchiya Akira、Ishikawa Kunio
    • 雑誌名

      ACS Applied Materials & Interfaces

      巻: 15 号: 29 ページ: 34570-34577

    • DOI

      10.1021/acsami.3c06263

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Reconstruction of Load-Bearing Segmental Bone Defects Using Carbonate Apatite Honeycomb Blocks2023

    • 著者名/発表者名
      Shibahara Keigo、Hayashi Koichiro、Nakashima Yasuharu、Ishikawa Kunio
    • 雑誌名

      ACS Materials Au

      巻: 3 号: 4 ページ: 321-336

    • DOI

      10.1021/acsmaterialsau.3c00008

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Gear-shaped carbonate apatite granules with a hexagonal macropore for rapid bone regeneration2023

    • 著者名/発表者名
      Hayashi Koichiro、Yanagisawa Toshiki、Kishida Ryo、Tsuchiya Akira、Ishikawa Kunio
    • 雑誌名

      Computational and Structural Biotechnology Journal

      巻: 21 ページ: 2514-2523

    • DOI

      10.1016/j.csbj.2023.03.053

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Endowing osseointegration ability to bioinert alumina by carbonate apatite coating2023

    • 著者名/発表者名
      Hayashi Koichiro、Ishikawa Kunio
    • 雑誌名

      Surfaces and Interfaces

      巻: 36 ページ: 102617-102617

    • DOI

      10.1016/j.surfin.2022.102617

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Structurally optimized honeycomb scaffolds with outstanding ability for vertical bone augmentation2022

    • 著者名/発表者名
      Hayashi Koichiro、Shimabukuro Masaya、Kishida Ryo、Tsuchiya Akira、Ishikawa Kunio
    • 雑誌名

      Journal of Advanced Research

      巻: - ページ: 101-112

    • DOI

      10.1016/j.jare.2021.12.010

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Channel Aperture Characteristics of Carbonate Apatite Honeycomb Scaffolds Affect Ingrowths of Bone and Fibrous Tissues in Vertical Bone Augmentation2022

    • 著者名/発表者名
      Hayashi Koichiro、Kishida Ryo、Tsuchiya Akira、Ishikawa Kunio
    • 雑誌名

      Bioengineering

      巻: 9 号: 11 ページ: 627-627

    • DOI

      10.3390/bioengineering9110627

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Effects of Scaffold Shape on Bone Regeneration: Tiny Shape Differences Affect the Entire System2022

    • 著者名/発表者名
      Hayashi Koichiro、Yanagisawa Toshiki、Kishida Ryo、Ishikawa Kunio
    • 雑誌名

      ACS Nano

      巻: 16 号: 8 ページ: 11755-11768

    • DOI

      10.1021/acsnano.2c03776

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Feasibility study on surface morphology regulation of β-tricalcium phosphate bone graft for enhancing cellular response2022

    • 著者名/発表者名
      Putri Tansza Setiana、Sunarso、Hayashi Koichiro、Tsuru Kanji、Ishikawa Kunio
    • 雑誌名

      Ceramics International

      巻: 48 号: 9 ページ: 13395-13399

    • DOI

      10.1016/j.ceramint.2022.02.200

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Reconstruction of rabbit mandibular bone defects using carbonate apatite honeycomb blocks with an interconnected porous structure.2022

    • 著者名/発表者名
      Kudoh K, Fukuda N, Akita K, Kudoh T, Takamaru N, Kurio N, Hayashi K, Ishikawa K, Miyamoto Y.
    • 雑誌名

      J Mater Sci Mater Med.

      巻: 31 号: 1 ページ: 2-2

    • DOI

      10.1007/s10856-022-06710-2

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 抗菌性ハニカム人工骨の開発2023

    • 著者名/発表者名
      林 幸壱朗
    • 学会等名
      第42回整形外科バイオマテリアル研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 人工造血幹細胞ニッチとして働く炭酸アパタイトハニカム材料の開発と造血への応用2023

    • 著者名/発表者名
      林 幸壱朗
    • 学会等名
      MIMS 研究集会 「広い意味での防災にまつわる実験数理融合アプローチの新展開」
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 形状可変性炭酸アパタイトチェーンの創製と骨再生への応用2023

    • 著者名/発表者名
      林幸壱朗, 岸田良, 土谷享, 石川邦夫
    • 学会等名
      日本セラミックス協会 第36回秋季シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 炭酸アパタイト人工骨の構造・形状制御による骨再生増強と新機能発現2023

    • 著者名/発表者名
      林幸壱朗
    • 学会等名
      第41回日本骨代謝学会学術集会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 炭酸アパタイトハニカム材料の人工造血幹細胞ニッチへの応用2023

    • 著者名/発表者名
      林幸壱朗 , 岸田良 , 土谷享 , 石川邦夫
    • 学会等名
      公益社団法人日本セラミックス協会 2023年年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 炭酸アパタイトハニカムスキャフォールドの人工造血幹細胞ニッチとしての応用可能性(ハイライト講演)2022

    • 著者名/発表者名
      林幸壱朗 , 岸田良 , 土谷享 , 石川邦夫
    • 学会等名
      第44回日本バイオマテリアル学会大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Carbonate Apatite Honeycomb Scaffolds for Bone Regeneration2022

    • 著者名/発表者名
      Koichiro Hayashi
    • 学会等名
      Functional Inorganic Material
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [産業財産権] 医用材料及びその製造方法2024

    • 発明者名
      林幸壱朗
    • 権利者名
      林幸壱朗
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2024-051980
    • 出願年月日
      2024
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [産業財産権] 医用可変性骨補填材及びその製造方法2024

    • 発明者名
      林幸壱朗
    • 権利者名
      林幸壱朗
    • 産業財産権種類
      特許
    • 出願年月日
      2024
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 外国

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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