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親水性とラジカルフリーの4-META/MMA-TBBを中心とした新しい骨形成挙動：オッセオインテグレーション骨セメントの意味合い
Novel Osteogenic Behaviors around Hydrophilic and Radical-Free 4-META/MMA-TBB: Implications of an Osseointegrating Bone Cement.
PMID: 32244335 PMCID: PMC7177939. DOI: 10.3390/ijms21072405.
抄録
ポリメタクリル酸メチル（PMMA）ベースの骨セメントは、整形外科用金属インプラントの固定に広く使用されているが、生体耐性があると考えられているが、骨伝導性に欠け、細胞毒性がある。インプラントの緩みや毒性を伴う合併症は重要な問題であり、認識されている。ここで我々は、PMMAベースの骨セメントを改良するために2つの戦略を考案した。(1) MMAモノマーに4-メタクリロイルオキシエチルトリメリット酸無水物(4-META)を添加して親水性を付与すること、(2)重合開始剤として過酸化ベンゾイル(BPO)の代わりにトリ-n-ブチルボラン(TBB)を使用してフリーラジカルの産生を抑制することである。ラット骨髄由来の骨芽細胞を、一般的な骨セメント成分であるPMMA-BPOと、新たに配合された成分である4-META/MMA-TBB上で培養した。24時間培養後、4-META/MMA-TBBではPMMA-BPOよりも多くの細胞が生存した。培養後期にはPMMA-BPOに比べて4-META/MMA-TBBの方が20倍以上のミネラル化面積を示し、骨形成遺伝子の発現量の増加を伴っていた。ラット大腿骨の骨とセメントの結合の強さは、4-META/MMA-TBBの方がPMMA-BPOに比べて、治癒初期と後期でそれぞれ4倍と7倍に増加していた。微小CTと組織形態学的解析により、4-META/MMA-TBBの周辺にのみ接触骨形成が認められ、軟部組織の介在は最小限に抑えられた。4-META/MMA-TBBの親水性は、特に湿潤条件下で24時間持続したが、PMMA-BPOは混合直後に疎水性を示し、時間や条件の影響を受けなかった。電子スピン共鳴(ESR)分光法により、4-META/MMA-TBBのフリーラジカル生成量は24時間以内にPMMA-BPOの1/10から1/20であり、その差は少なくとも10日間持続した。細胞のリクルートにおけるPMMA-BPOの妥協した能力は、実質的に材料にフリーラジカル消去アミノ酸N-アセチルシステイン（NAC）を添加することによって緩和されたが、NACを添加することは、4-META/MMA-TBBの能力に影響を与えなかった。これらの結果から、4-META/MMA-TBBはPMMA-BPOと比較して細胞毒性が大幅に減少し、独自の親水性とラジカルフリーの界面を形成することで骨伝導性を誘導することが示唆された。さらなる前臨床試験および臨床試験の検証が必要である。
Poly(methyl methacrylate) (PMMA)-based bone cement, which is widely used to affix orthopedic metallic implants, is considered bio-tolerant but lacks osteoconductivity and is cytotoxic. Implant loosening and toxic complications are significant and recognized problems. Here we devised two strategies to improve PMMA-based bone cement: (1) adding 4-methacryloyloxylethyl trimellitate anhydride (4-META) to MMA monomer to render it hydrophilic; and (2) using tri-n-butyl borane (TBB) as a polymerization initiator instead of benzoyl peroxide (BPO) to reduce free radical production. Rat bone marrow-derived osteoblasts were cultured on PMMA-BPO, common bone cement ingredients, and 4-META/MMA-TBB, newly formulated ingredients. After 24 h of incubation, more cells survived on 4-META/MMA-TBB than on PMMA-BPO. The mineralized area was 20-times greater on 4-META/MMA-TBB than PMMA-BPO at the later culture stage and was accompanied by upregulated osteogenic gene expression. The strength of bone-to-cement integration in rat femurs was 4- and 7-times greater for 4-META/MMA-TBB than PMMA-BPO during early- and late-stage healing, respectively. MicroCT and histomorphometric analyses revealed contact osteogenesis exclusively around 4-META/MMA-TBB, with minimal soft tissue interposition. Hydrophilicity of 4-META/MMA-TBB was sustained for 24 h, particularly under wet conditions, whereas PMMA-BPO was hydrophobic immediately after mixing and was unaffected by time or condition. Electron spin resonance (ESR) spectroscopy revealed that the free radical production for 4-META/MMA-TBB was 1/10 to 1/20 that of PMMA-BPO within 24 h, and the substantial difference persisted for at least 10 days. The compromised ability of PMMA-BPO in recruiting cells was substantially alleviated by adding free radical-scavenging amino-acid N-acetyl cysteine (NAC) into the material, whereas adding NAC did not affect the ability of 4-META/MMA-TBB. These results suggest that 4-META/MMA-TBB shows significantly reduced cytotoxicity compared to PMMA-BPO and induces osteoconductivity due to uniquely created hydrophilic and radical-free interface. Further pre-clinical and clinical validations are warranted.