3Dバイオプリントされた軟骨構造物の長期的なin vivoでの完全性と安全性

Long-term in vivo integrity and safety of 3D-bioprinted cartilaginous constructs.

• Peter Apelgren
• Matteo Amoroso
• Karin Säljö
• Anders Lindahl
• Camilla Brantsing
• Linnéa Stridh Orrhult
• Kajsa Markstedt
• Paul Gatenholm
• Lars Kölby

抄録

長期的な安定性と生物学的安全性は、3Dバイオプリント技術を臨床応用する上で重要である。ここでは、ヌードマウスを用いて、セルロース足場とヒト細胞（軟骨細胞と幹細胞）で構成される3D-バイオプリント構築物の長期的な安全性と安定性の問題を10ヶ月間にわたって検討した。その結果、無細胞足場と比較して、時間の経過とともに無拘束圧縮強度を増加させることで、細胞を含むコンストラクトの機械的安定性が有意に向上することが示された。さらに、無細胞構築物の平均圧縮応力および剛性（圧縮弾性率）は、それぞれ0.04±0.05 MPaおよび0.14±0.18 MPaであったのに対し、細胞含有構築物のこれらの値は、それぞれ0.11±0.08 MPa（p = 0.019）および0.53±0.59 MPa（p = 0.012）であった。さらに、組織形態学的解析により、細胞を含む構築物から形成された軟骨は、クラスター状に増殖する軟骨細胞を豊富に保有しており、10ヶ月後には、ネイティブ軟骨に類似していることが明らかになった。さらに、動物モデルの完全なライフサイクルにわたって実験の拡張は、骨化、線維化、壊死、または3D-バイオプリントされた構築物のインプラント関連の腫瘍の開発の兆候を明らかにしなかった。これらの知見は、生体内での生物学的安全性と機械的安定性を確認し、3Dバイオプリント軟骨組織の臨床応用の可能性を支持するものである。

Long-term stability and biological safety are crucial for translation of 3D-bioprinting technology into clinical applications. Here, we addressed the long-term safety and stability issues associated with 3D-bioprinted constructs comprising a cellulose scaffold and human cells (chondrocytes and stem cells) over a period of 10 months in nude mice. Our findings showed that increasing unconfined compression strength over time significantly improved the mechanical stability of the cell-containing constructs relative to cell-free scaffolds. Additionally, the cell-free constructs exhibited a mean compressive stress and stiffness (compressive modulus) of 0.04 ± 0.05 MPa and 0.14 ± 0.18 MPa, respectively, whereas these values for the cell-containing constructs were 0.11 ± 0.08 MPa (p = .019) and 0.53 ± 0.59 MPa (p = .012), respectively. Moreover, histomorphologic analysis revealed that cartilage formed from the cell-containing constructs harbored an abundance of proliferating chondrocytes in clusters, and after 10 months, resembled native cartilage. Furthermore, extension of the experiment over the complete lifecycle of the animal model revealed no signs of ossification, fibrosis, necrosis, or implant-related tumor development in the 3D-bioprinted constructs. These findings confirm the in vivo biological safety and mechanical stability of 3D-bioprinted cartilaginous tissues and support their potential translation into clinical applications.

© 2020 The Authors. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials published by Wiley Periodicals LLC.