Micro-engineering を併用した血管付人工骨による股関節巨大骨欠損の再建
京都大学附属病院

整形外科助教河井 利之る。しかし、細胞は栄養の供給源から数百マイ骨盤・大腿骨骨欠損は、骨折・変性・先天 クロメートル以上離れてしまうと生存するこ性形成異常・腫瘍切除・人工股関節周囲感 とができない。そのため組織工学的手法におい染・骨溶解などの結果生じ治療には多くの場 てはインプラント全体を栄養する微小血行路合骨補填（骨再生）を要する。このような患 の再生が必要となる。これまでの多くの研究は、者に対しては本邦では自家骨移植が選択さ 吸収性材料の中に細胞を含有させ、それらが生れる事が多いが、採骨可能な部位・量が限ら 体内で自己集合し自ら三次元血管ネットワーれる上、採骨部の疼痛・機能低下といった問 クを形成することを期待するものであったが、題が避けられない。欠損部のサイズや部位に 実際生体内でそのような構造が形成されるこ
よっては自家骨移植単独では充分な血流が とは稀であった。そこで、我々は微小血管の発得られず、血管柄付自家骨移植が必要になる 芽・三次元ネットワーク形成を誘導する scaff
場合もある。近年採骨を行わず、Tissue en old を作成し、その scaffold の内腔に血管束移gineering（組織工学）的手法により、細胞・ 植し術直後からの血流獲得を実現させることScaffold・成長因子などを組み合わせて硬組 とした。具体的なアプローチは以下のとおりで織再生を行う方法が有望視されている。しか ある。3Dprinting により中央に大きな管腔構造し、人工物内部で組織再生が起こるには、s （中央チャネル）を内包した多孔体 scaffold
caffold 深部までホスト細胞が進入して生 を作成し、scaffold 全体に中央チャネルからの存する必要があるが、細胞は栄養の供給源か 血管発芽を促す多数の微小連通孔を放射状にら数百マイクロメートル以上離れてしまう 作成する。tube 状のマイクロハイドロゲルを多と生存することができないため巨大な人工 数作成し、これを外壁連通孔に挿入する。これ
骨移植を行っても結局は生着しない。こうい を大腿骨または骨盤巨大骨欠損に設置し、中央った問題のため、血管柄付自家骨移植に匹敵 チャネルに大腿動脈の分枝動脈血管束を挿入するような骨再生の手法はいまだ確立して し術直後から人工骨を還流させるとともに人いない。そこで我々は、組織工学的手法と外 工骨内への早期血管発芽を可能にする。
科的血行再建を組み合わせた新たな骨欠損 方法
再建法の開発に着手した。
Scaffold の作成

背景

多孔性の polycaprolactone (PCL) scaffo
現在の手法の課題
ld を、我々の研究チーム自作の 3 次元印刷
組織工学的手法によって作成された人工物内システムを用いて作成した。多孔体デザイン部で組織再生が起こるには、インプラント深部は直径 4mm、長さ 8mm の円柱状多孔体構造でまでホスト細胞が進入して生存する必要があ5

中央に直径 2mm のトンネル構造をもたせた。 rofil 硬化後に大腿部を採取した。採取した作成した scaffold は 5M NaOH 溶液に室温で 大腿のマイクロ CT 撮影を行い、その後脱灰12 時間浸漬し親水性と表面粗さを付与した。 した後に再度マイクロ CT 撮影を行った。ラ
その後、scaffold を BMP2 添付と非添付の 2 ットの正常大腿骨 3 本をコントロールとしタイプに分けた。BMP2 添付群には 2 µg の r て使用した。
hBMP-2 を付与する目的で次の処理を行った。
結果
フィブリン 1 mg/ml 溶液に 37 度で 24 時間浸ジ骨欠損部の骨癒合は、術後 4 週では Grou
漬した後リン酸緩衝生理食塩水 (PBS)で 3
p1 で 0/12 (0%), Group2 で 2/12 (16.7%)、G回洗浄、次にスロンビン 4 unit/ml 溶液に 3
roup3 で 11/12 (91.7%)、Group4 で 11/12 (97 度 2 時間浸漬、PBS で 3 回洗浄した後に 0.
1.7%)であった。術後 8 週では Groups 1, 3 ,2 mg/ml の rhBMP-2 を 10 µl 滴下し 4 度で保4 では 4 週と同様の癒合率であったが Group存した。
２では 3/12 (25%)に上昇していた。骨欠損動物実験
部内での骨形成は Group1 で 25.3±12.8 mm348 匹の雄 Sprague-Dawley ラットを使用し、、Group2 で 46.9 ±22.8 mm3 、Group3 で 8
骨欠損部の骨形成癒合と血管新生を評価し0.3±22.7 mm3 、Group4 で 87.7 ±15.6 mm3た。scaffold のみ（Group1）、血管束挿入 s(各 n=12)であった。骨形成量は Group3 と 4caffold（Group2）、BMP2 添付 scaffold（Grの間では統計学的有意差は無かったが、それpup3）、血管束挿入 BMP2 添付 scaffold（Gro以外の全ての組み合わせの Group 間で統計up4）の 4 群に分けて評価を行った。
学的有意差があった。scaffold 全体の血管8mm の骨欠損を大腿骨骨幹部に作成した。
量は Group1 で 1.2±1.1 mm3 、Group2 で 3.
大腿骨近位と遠位に 22mm 長の PEEK (poly e8±2.4 mm3 、Group3 で 5.3±2.0 mm3 、Gro
ther ether ketone)プレートを宛がい、1.1up4 で 8.2±2.5 mm3 であった。
mm ねじ切り k-wire4 本で固定した。次に suGroups2,3 は Group1 と比較して有意に多い
perficial epigastric artery (SEA), vein
血管量を認めていた。また、Group4 は Grou(SEV)を同定し、周囲組織から剥離し挙上しp1,2,3 と比較して有意に多い血管量であった。大腿動脈からの分枝点から 2.5cm 末梢側た。中央トンネル内の血管量は、Group1 で 0.
で 7-0nylon を用いて SEA,SEV を結紮した。G2±0.2 mm3 、Group2 で 1.5±0.9 mm3 、Gro
roup2,4 では SEA,SEV の血管束を scaffold
up3 で 1.6±0.7 mm3 、Group4 で 2.5±1.0 m
中央のトンネルに挿入し,骨欠損部に留置しm3 であった。Group 1 のトンネル内血管量はた。Group1,3 では血管束は剥離挙上したあGrouo2,3,4 に比較して有意に少なかった。Gと大腿動脈からの分枝点から 2.5cm 遠位側
roup2 と 4 のトンネル内血管量にも有意差がで 7-0nylon を用いて結紮してもとの位置にあった。CT 画像では、Group2,4 においてはもどし、骨欠損部には scaffold を留置した。
造影された血管様構造がトンネル内の血管術後 2,4,8 週でレントゲンを撮影し骨癒合束から scaffold を通って放射状に広がって評価を行った。術後 8 週で血管造影を行い血いることが確認された。Group3 では周囲組管新生量を評価した。Microfil を下大静脈織から scaffold 内に向けて新生血管が進入から生理的な圧力をかけながら注入し、Mic6していることを示唆する所見であった。本研
究では 3 次元印刷 scaffold と血管束挿入を用いた、骨形成評価の新たなモデルを提唱した。骨形成量と血管新生量は epigastric artery and vein 血管束の Scaffold 内挿入により有意に向上していた。

考察
scaffold + 血管束挿入(Group 2) の骨形成量は正常大腿骨の骨量とほぼ同等であったが、骨癒合率(8 週で 25%)は満足のいくレベルではなかった。今回のモデルでは挿入血管の末梢端が結紮されて血流量が充分に得られていなかった可能性もある。BMP2 の添付は骨形成量だけでなく、骨欠損部内での血管新生量も向上させていた。血管束挿入単独と BMP2 添付はほぼ同等の血管形成量を示しており、その二つを組み合わせることでさらに旺盛な血管新生が得られていた。我々は、3 次元印刷技術で作成した scaffold に血管束挿入により血流を与えることで効果的に骨形成が得られることを示した。今後、大動物のモデルを用いてさらに長期的な効果について検証することとする。

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