膵臓組織工学のための膵臓細胞外マトリックスおよび血小板が豊富な血漿を構築する注射可能なヒドロゲル

Pancreatic Extracellular Matrix and Platelet-rich Plasma Constructing Injectable Hydrogel For Pancreas Tissue Engineering.

• Liang Zhang
• Haiyan Miao
• Dongzhi Wang
• Hongquan Qiu
• Yi Zhu
• Xihao Yao
• Yibing Guo
• Zhiwei Wang

抄録

インスリン分泌β細胞を濃縮した膵臓細胞外マトリックスの開発は、１型糖尿病治療のための有望な組織工学的アプローチである。しかし、その長期的な治療効果は、宿主免疫応答の防御機構と、移植後の適切な血管化が発達していないことによって制限されている。自己血小板濃縮物としての血小板リッチ血漿（PRP）は、細胞の生存、血管化、免疫調節に不可欠な多数の活性因子を含んでいる。本研究では、ラットインスリノーマ細胞（INS-1）とヒト臍帯静脈内皮細胞（HUVEC）を共培養・移植するために、膵臓細胞外マトリックス（PEM）をPRPに組み込んだ3次元（3D）注入可能なPEM-PRPハイドロゲルを開発しました。本研究の結果、PEM-PRPハイドロゲルは、ネイティブな細胞外マトリックスの生化学的組成を模倣しており、高い弾性率と酵素分解に対する耐性を有しており、生体材料の体積を維持しながらゆっくりと分解することが可能であることが明らかになった。さらに、PEM-PRPハイドロゲルは成長因子を持続的に放出することができた。また、PEM-PRPハイドロゲルは、ゲル内にカプセル化したINS-1細胞の生存率、インスリン分泌機能、インスリン遺伝子発現を有意に促進した。さらに、PEM-PRPハイドロゲルにカプセル化されたHUVECは、多くのルーメン状構造を形成し、高い血管新生遺伝子の発現を示すことが確認された。INS-1細胞とHUVECをカプセル化したPEM-PRPゲルを生体内に移植すると、INS-1細胞の生存率が向上し、血管新生が促進され、宿主の炎症反応が抑制され、糖尿病ラットの高血糖が改善された。本研究では、PEM-PRPハイドロゲルが優れた生体適合性と血管新生特性を有し、インスリン分泌β細胞の長期的な生存と機能を維持するための有効な生体材料プラットフォームとなる可能性を示唆している。

The development of pancreatic extracellular matrices enriched with insulin-secreting β cells is a promising tissue engineering approach to treat type-1 diabetes. However, its long-term therapeutic efficacy is restricted by the defensive mechanism of host immune response and the lack of developed vascularization as appropriate after transplantation. Platelet-rich plasma (PRP), as an autologous platelet concentrate, contains a large number of active factors that are essential for the cell viability, vascularization, and immune regulation. In this study, we have incorporated pancreatic extracellular matrix (PEM) with PRP to develop a three-dimensional (3D) injectable PEM-PRP hydrogel to co-culture and transplant rat insulinoma cells (INS-1) and human umbilical vein endothelial cells (HUVEC). Results from this study demonstrated that PEM-PRP hydrogel mimicked the biochemical compositions of native extracellular matrices, and possessed the enhanced elastic modulus and resistance to enzymatic degradation that enabled biomaterials to maintain its volume and slowly degrade. Additionally, PEM-PRP hydrogel could release growth factors in a sustained manner. In vitro, PEM-PRP hydrogel significantly promoted the viability, insulin-secreting function and insulin gene expression of gel encapsulated INS-1 cells. Moreover, HUVECs encapsulated in PEM-PRP hydrogel was found to constitute many lumen-like structure and exhibited high expression of proangiogenic genes. In vivo transplantation of PEM-PRP hydrogel encapsulated with INS-1 cells and HUVECs improved the viability of INS-1 cells, promoted vascularization, inhibited the host inflammatory response, and reversed hyperglycemia of diabetic rats. Our study suggests that the PEM-PRP hydrogel offers excellent biocompatibility and proangiogenic property, and may serve as an effective biomaterial platform to maintain the long-term survival and function of insulin-secreting β cells.

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