一酸化窒素を放出するバイオインスパイアード足場がホメオスタシスの制御により骨粗鬆症の骨を精巧に再生する

Nitric Oxide-Releasing Bioinspired Scaffold for Exquisite Regeneration of Osteoporotic Bone via Regulation of Homeostasis.

抄録

骨粗鬆症の骨再生は、巧妙な相互作用の発生を伴う困難なプロセスである。骨修復のための様々な高分子足場が提案されているが、骨粗鬆症の骨再生に関する研究はまだ実質的に限定的である。特に、ビスフォスフォネートをはじめとする骨粗鬆症治療薬を使用した場合、満足のいく骨再生を達成することは困難である。ここでは、骨粗鬆症の骨の絶妙な再生のために、生物活性剤を用いた新しい一酸化窒素放出バイオインスパイアード足場が提案されています。まず、骨類似の生体模倣型ポリ乳酸-グリコール酸足場を、有機／無機ECMと水酸化マグネシウムを組み合わせたベースインプラント材料として調製する。酸化亜鉛（ZO）、アレンドロネート、BMP2の生理活性物質を含むナノ粒子を生体模倣足場に組み込み、抗炎症、血管新生、破骨細胞新生、骨再生などの多機能を付与する。特に、ZOから生成される一酸化窒素（NO）は、cGMPやプロテインキナーゼGの活性を刺激し、さらに、Wnt/β-カテニンシグナル経路を抑制することにより、RANKL/Osteoprotegerin比をダウンレギュレートします。骨粗鬆症ラットモデルでは、足場を介した骨ホメオスタシスの制御により、新生骨の形成が正常モデルよりもはるかに良好であることがわかった。これらの相乗効果は、このようなバイオインスパイアード足場が、例外的に骨粗鬆症の骨を再生する包括的な方法となり得ることを示唆している。

Osteoporotic bone regeneration is a challenging process which involves the occurrence of sophisticated interactions. Although various polymeric scaffolds have been proposed for bone repair, research on osteoporotic bone regeneration remains practically limited. In particular, achieving satisfactory bone regeneration when using osteoporotic drugs is challenging including bisphosphonates. Here, a novel nitric oxide-releasing bioinspired scaffold with bioactive agents for the exquisite regeneration of osteoporotic bone is proposed. The bone-like biomimetic poly(lactic-co-glycolic acid) scaffold is first prepared in combination with organic/inorganic ECM and magnesium hydroxide as the base implant material. Nanoparticles containing bioactive agents of zinc oxide (ZO), alendronate, and BMP2 are incorporated to the biomimetic scaffold to impart multifunctionality such as anti-inflammation, angiogenesis, anti-osteoclastogenesis, and bone regeneration. Especially, nitric oxide (NO) generated from ZO stimulates the activity of cGMP and protein kinase G; in addition, ZO downregulates the RANKL/osteoprotegerin ratio by suppressing the Wnt/β-catenin signaling pathway. The new bone is formed much better in the osteoporotic rat model than in the normal model through the regulation of bone homeostasis via the scaffold. These synergistic effects suggest that such a bioinspired scaffold could be a comprehensive way to regenerate exceptionally osteoporotic bones.