| 研究課題/領域番号 |
20K12597
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
大槻 文悟 京都大学, 医学研究科, 講師 (30646766)
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| 研究分担者 |
藤林 俊介 京都大学, 医学研究科, 特定教授 (30362502)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 整形外科 / 感染症 / 抗菌 / ヨウ素 / アルカリ加熱処理 / 骨結合 / 細菌 / バイオフィルム |
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| 研究実績の概要 |
インプラント感染症は, 術後1～2%に生じる重大な合併症の1つである。しかしながら、現在、骨結合と優れた抗菌性を示す金属インプラントは、殆ど実例がないのが現状である。
これまでにチタン金属に生体活性能を付与するアルカリ加熱処理を開発してきたが、本研究ではこのアルカリ加熱処理に新たにヨウ素処理を追加した新たな金属(以下I-Ca-Ti) を開発し、I-Ca-Tiの骨結合能、抗菌性、毒性を検証している。本研究は大きく分類して、骨結合性と抗菌性をそれぞれin vivo及びin vitroで検証する4つのphaseからなるが、骨結合能に関する、in vitroとin vivo研究、そして、抗菌性に関するin vitro研究で実験がある程度終了し、良好な結果を得ることができた。まずin vitroにおける毒性試験であるが、I-Ca-Tiのヨードの担持量（およそ8%）では骨芽細胞などの細胞増殖能力を阻害することはなく細胞毒性は認めなかった。また骨結合能は、in ivioでの実験を行い、これまでに良好な力学的試験の成績が報告されているCa-Tiと同等の結果を得ることができた。この結果から、金属に含有したヨードイオンが骨結合を阻害する可能性は否定された。In vitroにおける抗菌性の実験では、死滅には至らないものの、メチシリン感受性黄色ブドウ球菌の接着及び繁殖を有意に低減することが確認できた。
現在の進捗中の結果を鑑みると、アルカリ加熱処理後ヨウ素担持チタンは骨結合と抗菌性を両有する生体材料であると期待できる。現在は、動物を用いた生体内での抗菌性を確認中である。
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| 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
実験では純チタン（cp-Ti），純チタンにアルカリ加熱およびCa付加処理を行い既に骨結合が明らかになっているもの(以下Ca-Ti)，更にCa-Tiにヨウ素処理を加えたもの（I-Ca-Ti）の3 群で比較検討した．骨結合のin vitro試験では、骨芽細胞を用いて金属表面との親和性を確認した。細胞毒性試験(XTT-assay) は、播種後day1, 3, 7の3時点でいずれの金属材料でも毒性を認めなかった。アクチン染色では、金属に対する骨芽細胞の接着と増殖を細胞播種3h, 24h後に確認したが、I-Ca-Tiでは良好な細胞質の伸展及びpseudopodiaが確認できた。誘導培地による実験で、ALP活性値を測定は全て同等で有意差を認めなかった。RT-qPCRでは1週間時点で、Ca-TiではTiと比較して有意にALP, OCN, OPNの遺伝子発現が強く、I-Ca-TiではALPの発現のみが有意に高かった。Iは、Caイオンとの交換担持となるのでCaイオンの減少を伴っており、その影響が考えられた。動物を用いた骨結合試験では，日本白色家兎の脛骨に金属平板を挿入し，4、8、16週後に引き剥がし試験及びbone-implant contact ratio （BIC）による組織学的評価を行った．引き剥がし試験及びBIC値は，全観察時点でI-Ca-TiはCa-Ti と同等の値を示した。抗菌性試験では、メチシリン感受性黄色ブドウ球菌（ 2 × 106 CFU/ml）菌液400ul に金属切片を浸漬し、24時間後の生菌量を測定した。I-Ca-Tiの表面菌量は35 CFU/ml、 対してcp-Ti およびCa-Ti上はそれぞれ（4.8±3.7）× 103 CFU/ml，（4.1±3.7）× 103 CFU/ml であり、cp-Ti と比較して98.7%の細菌低減を認めた。
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| 今後の研究の推進方策 |
In vitroの抗菌試験ではE.Coliなど他の菌株を使用して、その効果を検証する予定である。いちばん重要なin vivoにおける抗菌性試験に関して、ラット脛骨の髄内釘モデルが予備実験でばらつきを生じたため、ばらつきが少ないと考えられる金属の皮下埋入法で細菌低減を引き続き検証する予定である。評価は、埋入後、いくつかのタイムポイントで屠殺し、生菌数のコローニカウントや、組織切片を作成して組織学的な観察によりバイオフィルムの形成の程度や免疫応答の評価、細菌の活動の差異を比較検証する予定である。この皮下感染モデルでの検証でI-Ca-Tiの有効性が確立された場合、さらにステップアップとして難治性病態である骨髄炎や化膿性関節炎モデルや、更にヒトに近い大型動物での検証を目指す予定である。
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