新しいZOLを担持したゼラチンNP一体型多孔質チタン足場を用いた骨形成と骨吸収の調節.骨粗鬆症性骨欠損症の骨再生は、骨再生医療の大きな課題となっています

Modulation of bone formation and resorption using a novel ZOL loaded gelatin NPs integrated porous titanium scaffold: An<i> in vitro</i> and <i>in vivo</i> study.

• Xiao-Jiang Yang
• Chang-Bo Lu
• Ji-Wei Zou
• Fa-Qi Wang
• Jin-Bo Hu
• Zhao Yang
• Hong-Xun Sang
• Yang Zhang

抄録

骨粗鬆症性骨欠損症は、骨再生のための大きな課題である。骨粗鬆症の状態では、骨吸収が過剰になり、骨形成が阻害されることで骨欠損部の治癒に時間がかかることが知られています。そこで、骨形成の促進と骨吸収の抑制を同時に行うために、ポリドパミンコート多孔質チタン足場に抗異化剤であるゾレドロン酸ナノ粒子（ZOL担持ゼラチンNP）を担持させ、ZOLの局所徐放性を期待通りに達成することができました。本研究では、ZOLを担持したゼラチンNPを用いて、骨芽細胞の分化を促進することを明らかにし、また、50μmo/LのZOL担持濃度で破骨細胞の発生を抑制することを明らかにした。その後、卵巣摘出術により骨粗鬆症を発症した大腿骨円柱欠損症のウサギに複合材を移植し、インビボ試験を実施した。その結果、ZOLゼラチンNPを添加していない複合足場は、主にインプラントと骨との界面にカルス形成を誘導するのみであったが、ZOLゼラチンNPを添加した複合足場は、足場内の骨形成と骨成長をさらに促進させることが可能であることが明らかになった。さらに、ZOL担持濃度が50μmo/Lの場合には、骨形成促進効果が最適であることが証明された。以上のことから、本研究では、ZOLを担持したゼラチンNPと一体化した新しいタイプの多孔質チタン足場が、優れた生体適合性と骨再生能力を継承していることが示された。これは、従来の多孔質チタンインプラントよりも、骨粗鬆症関連の骨欠損部の再建に最適な選択肢となり、骨粗鬆症性骨欠損部に悩む患者に新たな効果的かつ実用的な治療法の選択肢を提供するものと考えられる。

Osteoporotic bone defect is a major challenge in clinics for bone regeneration. Under the condition of osteoporosis, excessive bone absorption and impaired osteogenesis resulted in unexpected long healing procedure of defects. In order to simultaneously enhance bone formation and reduce bone resorption, a polydopamine-coated porous titanium scaffold was designed to be integrated with the anti-catabolic drug zoledronic acid nanoparticles (ZOL loaded gelatin NPs), which was able to achieve a local sustained-release of ZOL as expected. The in-vitro study demonstrated that the extracts of the composite scaffolds would stimulate the osteoblast differentiation; meanwhile, they also inhibited osteoclastogenesis at a ZOL loading concentration of 50μmo/L. In vivo study, thereafter, the composite scaffolds were implanted into the ovariectomy-induced osteoporotic rabbits suffering from femoral condyles defects. The results indicated that the composite scaffolds without ZOL loaded gelatin NPs only induced callus formation mainly at the interface margin between the implant and bone, whereas the composite scaffolds with ZOL loaded gelatin NPs were capable to further enhance osteogenesis and bone growth into the scaffolds. Moreover, the research proved that the promoting effect was optimal at a ZOL loading concentration of 50μmo/L. In summary, the present research indicated that a new type of porous titanium scaffold integrated with ZOL loaded gelatin NPs inherited a superior biocompatibility and bone regeneration capability. It would be an optimal alternative for the reconstruction of osteoporosis-related defects than the traditional porous titanium implant; in other words, the new type of scaffold would offer a new effective and practical procedure option for patients suffering from osteoporotic bone defects.

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