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カプリンを用いた生体外負荷型椎間板培養システムを用いた中等度に変性した椎間板の異化環境のモデル化
Modelling the catabolic environment of the moderately degenerated disc with a caprine ex vivo loaded disc culture system.
PMID: 32672345 DOI: 10.22203/eCM.v040a02.
抄録
腰痛は世界の人口の80%に影響を与えており、その40%は椎間板（IVD）の変性が原因であると言われています。長年にわたり、椎間板変性症の予防と治療戦略の評価のために、多くの動物モデルが開発されてきました。また、機械的負荷や生化学的条件をより良く制御するために、ex vivo臓器培養系が開発されてきたが、ヒトの中等度の椎間板変性を再現可能なex vivoモデルは不足していた。本研究では、ヒトの中等度の椎間板変性時の椎間板核の変化をシミュレートしたex vivoカプリン体IVD変性モデルを開発した。腰部カプリン体IVDは、日中の生理的負荷（SPL）条件を模擬した事前負荷の後、コラゲナーゼとコンドロイチナーゼABC（cABC）を注入して酵素的に変性させた。消化後、IVDを7日間SPLに曝露した。椎間板の変形は、椎間板の高さの回復を評価するために継続的にモニターした。組織学および免疫組織化学を行い、変性の組織学的グレード、マトリックス発現、分解酵素および異化サイトカイン発現を決定した。コラゲナーゼとcABCの注入は、椎間板の機械的特性に不可逆的な影響を与えた。細胞外マトリックス成分の減少が認められ、分解酵素と異化タンパク質[インターロイキン(IL)-1β、-8、血管内皮増殖因子(VEGF)]の一貫した増加が認められた。観察された変化は、中等度のヒトの血管内皮変性症に見られる変化に匹敵するものであった。このモデルは、中等度のヒト-IVD変性症に対する生物学的、細胞学的、生体材料学的な治療法の可能性を、制御されたex vivoで試験することを可能にするものである。
Low-back pain affects 80 % of the world population at some point in their lives and 40 % of the cases are attributed to intervertebral disc (IVD) degeneration. Over the years, many animal models have been developed for the evaluation of prevention and treatment strategies for IVD degeneration. Ex vivo organ culture systems have also been developed to better control mechanical loading and biochemical conditions, but a reproducible ex vivo model that mimics moderate human disc degeneration is lacking. The present study described an ex vivo caprine IVD degeneration model that simulated the changes seen in the nucleus pulposus during moderate human disc degeneration. Following pre-load under diurnal, simulated physiological loading (SPL) conditions, lumbar caprine IVDs were degenerated enzymatically by injecting collagenase and chondroitinase ABC (cABC). After digestion, IVDs were subjected to SPL for 7 d. No intervention and phosphate-buffered saline injection were used as controls. Disc deformation was continuously monitored to assess disc height recovery. Histology and immunohistochemistry were performed to determine the histological grade of degeneration, matrix expression, degrading enzyme and catabolic cytokine expression. Injection of collagenase and cABC irreversibly affected the disc mechanical properties. A decrease in extracellular matrix components was found, along with a consistent increase in degradative enzymes and catabolic proteins [interleukin (IL)-1β, -8 and vascular endothelial growth factor (VEGF)]. The changes observed were commensurate with those seen in moderate human-IVD degeneration. This model should allow for controlled ex vivo testing of potential biological, cellular and biomaterial treatments of moderate human-IVD degeneration.