Synergistic effects of thermoplastic polyurethane, chitosan, and polypyrrole in scaffold preparation for cardiac tissue engineering

心臓が大規模な攻撃（心臓発作）を受けたとき、閉塞によって血流が遮断され、筋肉組織の一部が死滅し、自力で治癒できなくなります。骨折した骨が再び結合して治るのとは異なり、心筋には再生能力が非常に限られています。細胞が死滅すると、それらは失われ、血液を送り出すことができない硬い瘢痕組織に置き換わってしまいます。これを修復するために、科学者たちは組織工学と呼ばれる手法を模索しています。これは、新しい心臓細胞を支え、その成長を促すための、一時的な人工構造物を構築することを目指すものです。「スキャフォールド（足場）」として知られるこれらの構造物は、単に細胞を保持するだけでなく、柔らかく、柔軟で、心臓がリズムを刻んで鼓動し続けるために絶えず電気信号を送っているという、心臓の自然な環境を模倣する必要があります。課題は、鼓動する心臓の物理的なストレスに耐えられるほど強く、体が受け入れられるほど安全であり、かつ、これらの不可欠な電気的インパルスを伝えるのに十分な導電性を備えた材料を作り出すことにあります。

最近の研究において、研究者たちはこれら3つの異なる材料を単一の機能的なシートへと混合することで、そのようなスキャフォールドを作成することを試みました。彼らは、弾力性に優れた合成プラスチック、甲殻類に含まれる天然の糖ベースのポリマー、そして電気を通すことができる特殊なタイプのプラスチックを組み合わせました。合成プラスチックである熱可塑性ポリウレタンは、必要な伸縮性と耐久性を提供します。天然ポリマーであるキトサンは、生細胞が認識し、付着しやすい表面を提供します。電気伝導性の問題を解決するために、チームはポリピロールと呼ばれる、ワイヤーのように電気を流すことができる素材を加えました。ただし、これは他の柔らかい材料と混合できる形態のものです。彼らはまた、混合物が形状を保持し、生体とより良く相互作用するのを助けるために、2つの一般的な添加物であるアルギン酸ナトリウムとグルコン酸カルシウムを含めました。目標は、この特定の組み合わせが、心臓細胞の成長をサポートしながら電気を伝える、安定した多孔質の構造を作り出せるかどうかを確認することでした。

研究者たちは、これらの成分を様々な溶媒に溶解し、完璧なバランスを見つけるために異なる比率で混合することから始めました。彼らは、プラスチックと天然ポリマーを他の成分なしで単に混合しただけでは、シートが密度が高くなりすぎ、細胞が呼吸し移動するために必要な小さな穴、すなわち「孔（あな）」が不足することを発見しました。しかし、添加物と導電性材料を導入すると、混合物は変化しました。添加物が、細胞が浸透するために不可欠な、相互に連結した孔を持つスポンジのような構造を作り出す助けとなりました。導電性のあるポリピロールの量を増やすにつれて、孔は小さくなり、材料の表面は粗くなりました。この粗さは実際には有益であり、滑らかな表面よりもテクスチャのある表面の方がグリップ力が高いのと同様に、細胞が掴みつくための表面積を増やしてくれるのです。

決定的なことに、導電性材料の添加は、スキャフォールドの電気的特性を変貌させました。プラスチックと天然ポリマーの基本的な混合物は、全く電気を通しませんでした。しかし、ポリピロールを加えた途端に、シートは電流を運ぶことが可能になりました。ポリピロールを加えれば加えるほど、シートの導電性は向上しました。これは極めて重要な発見です。なぜなら、心臓細胞は鼓動を調整するために電気信号に依存しており、電気を通さないスキャフォールドは、心臓の自然なリズムを支えることができないからです。チームはまた、この材料が水とどのように相互作用するかについてもテストしました。基本的な混合物は水を弾きましたが、導電性材料を加えることで表面がより親水性になり、これは一般的に細胞の付着や拡散を容易にします。

これらの新材料が安全で効果的であるかを確認するために、研究者たちは実験室の設定で、生きた心臓細胞と血管細胞を用いてテストを行いました。彼らは、細胞がスキャフォールド上で生存するだけでなく、良好に成長し、表面にしっかりと付着していることを見出しました。心臓細胞は特徴的な形状を維持し、収縮に必要な内部構造を発達させる兆候さえ示し始めました。研究では、これらのスキャフォールドが時間の経過とともにどのように分解されるかも調査されました。材料は生分解性を持つように設計されており、つまり、新しい組織が形成されるにつれてゆっくりと溶解するようにできています。結果として、導電性材料を含むスキャフォールドは、基本の混合物よりもわずかに早く分解されることが示されました。これは、おそらく導電性材料がより多くの水を吸収するためです。このことは、スキャフォールドが新しい心臓組織の成長に合わせて消失できる可能性を示唆しています。

研究者たちは、スキャフォールドが心臓細胞をサポートするだけでなく、血管新生として知られる新しい血管の成長を促進できるかどうかについても調査しました。新鮮な血管供給がなければ、新しい心臓組織は生き残ることができません。鶏胚を用いた生物学的モデルを用いて、導電性材料とカルシウム添加物を含むスガフォールドが、基本の混合物よりも効果的に新しい血管の成長を促進することを観察しました。これは、特定の成分の組み合わせが、心筋細胞を直接サポートするだけでなく、それらに栄養を供給するための必要な血管ネットワークの構築も助けることを示しています。また、研究では、これらのスキャフォールドが特定の細菌の増殖を抑制する能力も示しており、これは移植後の感染を防ぐための有用な副次的効果となり得ます。

研究者たちは、最も有望なバージョンのスキャフォールドは、導電性材料を特定の適度な量含んだものであると結論付けました。このバージョンは、形状を保持するのに十分な強度、心臓と共に動くための十分な柔軟性、電気信号を運ぶための十分な導電性、そして細胞が内部で成長するための十分な多孔性という、最高のバランスを備えていました。この研究は、材料を生体内のヒトや動物の心臓内でテストしたものではありませんが、実験室での結果は、この材料の組み合わせが心臓組織工学における好ましい環境を作り出すことを示唆しています。合成プラスチック、天然ポリマー、および導電性材料の混合物を注意深く調整することで、チームは心臓組織の複数の複雑な要求に応えるプラットフォームを作り出し、現在自然な治癒方法を持たない損傷した心筋を修復するための潜在的な道筋を提示しました。