骨再生のための骨誘導性歯髄幹細胞由来細胞外小胞充填多機能ハイドロゲル

Osteoinductive Dental Pulp Stem Cell-Derived Extracellular Vesicle-Loaded Multifunctional Hydrogel for Bone Regeneration.

抄録

幹細胞由来の細胞外小胞（EVs）は、骨組織の再生を促進する大きな可能性を示している。しかしながら、通常のEV（Nor-EV）は組織特異的な再生を誘導する能力に限界がある。したがって、広範囲の骨欠損を修復するためには、EVベースのシステムの骨形成能を最適化する必要がある。ここでは、骨誘導性歯髄幹細胞由来EV（Ost-EVs）を添加したハイドロゲルが骨組織のリモデリングを促進し、その結果、ハイドロゲル対照群と比較して骨形態形成蛋白質2（BMP2）の発現が2.23±0.25倍増加したことを示す。さらに、Ost-EVはアルカリホスファターゼ（ALP）の高発現（Nor-EVに対してOst-EVでは1.88±0.16）とオレンジ色のカルシウム結節の形成（Nor-EVに対してOst-EVでは1.38±0.10）をもたらした。RNA配列決定から、Ost-EVは有意に高いmiR-1246発現を示した。理想的なハイドロゲルインプラントは、周囲の湿った組織とも接着すべきである。この研究では、ヒアルロン酸(HA)とポリエチレングリコール誘導体から作られたハイドロゲルキャリアが、印象的な組織接着性、自己修復能力、骨成長を促進する能力を示すことから、ムール貝にヒントを得た接着性修飾に惹かれた。修飾HA(mHA)ハイドロゲルは環境刺激にも応答し、EVを送達する効果的なキャリアとなった。異所性骨形成動物モデルにおいて、Ost-EV/ハイドロゲルシステムは効果的に炎症を緩和し、血行再建を促進し、組織のミネラル化を促進した。さらに、ラット大腿骨顆部欠損モデルを用いて、Ost-EV/ハイドロゲルシステムの骨形成能を評価した。これらの結果を総合すると、Ost-EVと生体材料ベースのハイドロゲルとの組み合わせは、骨欠損の治療に有望な可能性を秘めていることが示唆された。

Stem cell-derived extracellular vesicles (EVs) show great potential for promoting bone tissue regeneration. However, normal EVs (Nor-EVs) have a limited ability to direct tissue-specific regeneration. Therefore, it is necessary to optimize the osteogenic capacity of EV-based systems for repairing extensive bone defects. Herein, we show that hydrogels loaded with osteoinductive dental pulp stem cell-derived EVs (Ost-EVs) enhanced bone tissue remodeling, resulting in a 2.23 ± 0.25-fold increase in the expression of bone morphogenetic protein 2 (BMP2) compared to the hydrogel control group. Moreover, Ost-EVs led to a higher expression of alkaline phosphatase (ALP) (1.88 ± 0.16 of Ost-EVs relative to Nor-EVs) and the formation of orange-red calcium nodules (1.38 ± 0.10 of Ost-EVs relative to Nor-EVs) . RNA sequencing revealed that Ost-EVs showed significantly high miR-1246 expression. An ideal hydrogel implant should also adhere to surrounding moist tissues. In this study, we were drawn to mussel-inspired adhesive modification, where the hydrogel carrier was crafted from hyaluronic acid (HA) and polyethylene glycol derivatives, showcasing impressive tissue adhesion, self-healing capabilities, and the ability to promote bone growth. The modified HA (mHA) hydrogel was also responsive to environmental stimuli, making it an effective carrier for delivering EVs. In an ectopic osteogenesis animal model, the Ost-EV/hydrogel system effectively alleviated inflammation, accelerated revascularization, and promoted tissue mineralization. We further used a rat femoral condyle defect model to evaluate the osteogenic ability of the Ost-EVs/hydrogel system. Collectively, our results suggest that Ost-EVs combined with biomaterial-based hydrogels hold promising potential for treating bone defects.