角膜内皮組織工学におけるオーバーラン加工多孔質ヒアルロン酸担体の検討

Investigation of Overrun-Processed Porous Hyaluronic Acid Carriers in Corneal Endothelial Tissue Engineering.

• Jui-Yang Lai
• Hsiao-Yun Cheng
• David Hui-Kang Ma

抄録

ヒアルロン酸(HA)は、目に天然に存在する直鎖状の多糖類であり、角膜内皮再生医療のための最も有望なバイオマテリアルの一つである。本研究では、角膜内皮細胞（CEC）シート移植および組織工学応用のためのオーバーラン処理された多孔質HAヒドロゲルの開発を初めて報告する。本研究では、ハイドロゲル担体の構造と機能を調べるために、ハイドロゲル担体の特性を調べた。また、カルボジイミドを架橋したHAサンプルを空気乾燥させたものと凍結乾燥させたものを同時に評価し、比較検討を行った。その結果、凍結乾燥HAディスクを作製する際に、生体高分子水溶液中に気泡を導入する技術を用いることで、細孔構造を拡大し、緻密な表皮形成を防ぐことができることが示された。研究したすべてのグループの中で、オーバーラン処理された多孔質HA担体は、最大の生物学的安定性を示し、最も高い凍結可能水分量とグルコース透過性を示し、ウサギCECのイオンポンプ機能への悪影響を最小限に抑えた。バイオエンジニアリングされたCECシートをオーバーラン処理されたHAハイドロゲル担体に転写し、付着させた後、角膜内皮機能障害を有するウサギモデルを用いて、細胞/バイオポリマーコンストラクトの治療効果を試験した。スリットランプ顕微鏡、鏡面顕微鏡、角膜厚測定などの臨床観察を行った結果、術後4週間で角膜内皮の再生と角膜の透明性の回復が認められた。これらの知見は、オーバーラン加工された多孔質HAハイドロゲルを用いた細胞シート移植が、角膜後面の再構築と内皮組織機能の改善に新たな方法を提供することを示唆している。

Hyaluronic acid (HA) is a linear polysaccharide naturally found in the eye and therefore is one of the most promising biomaterials for corneal endothelial regenerative medicine. This study reports, for the first time, the development of overrun-processed porous HA hydrogels for corneal endothelial cell (CEC) sheet transplantation and tissue engineering applications. The hydrogel carriers were characterized to examine their structures and functions. Evaluations of carbodiimide cross-linked air-dried and freeze-dried HA samples were conducted simultaneously for comparison. The results indicated that during the fabrication of freeze-dried HA discs, a technique of introducing gas bubbles in the aqueous biopolymer solutions can be used to enlarge pore structure and prevent dense surface skin formation. Among all the groups studied, the overrun-processed porous HA carriers show the greatest biological stability, the highest freezable water content and glucose permeability, and the minimized adverse effects on ionic pump function of rabbit CECs. After transfer and attachment of bioengineered CEC sheets to the overrun-processed HA hydrogel carriers, the therapeutic efficacy of cell/biopolymer constructs was tested using a rabbit model with corneal endothelial dysfunction. Clinical observations including slit-lamp biomicroscopy, specular microscopy, and corneal thickness measurements showed that the construct implants can regenerate corneal endothelium and restore corneal transparency at 4 weeks postoperatively. Our findings suggest that cell sheet transplantation using overrun-processed porous HA hydrogels offers a new way to reconstruct the posterior corneal surface and improve endothelial tissue function.