信州医誌，70⑷：247～249，2022

異分野融合を活かした特色あるバイオマテリアル研究を目指して
信州大学医学部生体適合システム学教室

馬闖，上田勝也，泉谷Ⅰ はじめに惇，羽二生久夫

がん細胞が増殖し進展する。そこで OC をターゲットとして，CNH にビスホスホネートの１種であるイバ

我々のラボは修士課程の総合理工学研究科生命医工ンドロネート（IBN）をナノサイズリン酸カルシウム学専攻も担当している事から，大学院生は保健学科の（CaP）を介して複合させたナノ複合体を作製した 2）。

検査，PT，OT の卒業生のみならず，工学部の卒業そのナノ複合体を暴露した結果，IBN 単体よりも非常生までが所属している。このラボ内異分野交流環境にに効率よく OC の増殖を抑制することが明らかになっおいて，「バイオマテリアル」をキーワードに大学院た。メカニズムとしては，細胞内に取り込まれたナノ生が各自のテーマを持った上で学び合い，協力し合っ複合体が OC 内のリソソームに集積し，弱酸性環境にて研究を行っている。このトピックではそれらの研究なるにつれて CaP が溶解し，IBN が放出され OC のを紹介する。

細胞死を誘発したと考えられる。

Ⅱ

カーボンナノマテリアルの生体応用

今後はがん骨転移モデルでの動物実験（in vivo）を行い，有効性の確認をしていく予定である。このよう我々のラボではカーボン素材のカーボンナノホーンにカーボンナノマテリアルは，その形状特性や表面修（CNH）が薬剤送達システム（DDS）のキャリアに有飾により，がん骨転移などの骨疾患を始めとした様々用と考え，研究を積み重ねてきた。CNH は長さ40～な疾患に対して，DDS などの新規治療法の開発に応50 nm，直径２～５nm 程度の先端が閉じたチューブ用できる可能性がある。

形状をしており，通常，数千本が放射状に寄り集まって直径100 nm 程度の球形集合体を形成している。この素材は表面の疎水性が非常に高く，表面修飾の容易性に優れている。

Ⅲ

ナノフェライトの骨分野への応用

現在，フェライト（γ-Fe2O3）は磁気センサー，顔料，MRI 造影剤及び温熱療法で応用されており，生CNH の安全性評価においてカーボンナノチューブ

命医工学分野において既に研究が進んでいる3）。一般（CNT）と共に，分散性に着目し，マクロファージに的にナノフェライト粒子（NFPs）は耐食性・耐酸化1）よる細胞応答性を評価した 。その結果，マテリアル性等の化学的特性が安定である一方，粒径サイズにの分散状態により細胞毒性や細胞取り込み，免疫応答

よって磁気特性は変化し，粒径サイズが30 nm 以下でが異なる事が明らかになった。特に高分散の CNH，あれば超常磁性を示す。超常磁性とは NFPs に外部CNT は同程度の分散状態において細胞取り込み様式磁界を印加すると磁化方向が一旦磁界方向に揃い全体に違いがある事が判明した。更に CNH は細胞内のリに磁化を持つが，外部磁界を取り除くと熱擾乱によりソソームに集積することが明らかになった。これらは磁化方向がランダムに回転し，全体の磁化がゼロとなナノマテリアルの形状の違いを細胞が認識しているとる特性である。

考えられる。

我々はこの特性に着眼し，細胞の3D 構築に応用でまた，カーボンマテリアルは骨への生体親和性に優きるのではないかと考えた。その概念図を図１に示す。

れているため，我々はがんの骨転移に対する治療にゼロ磁化状態の NFPs は培養培地中で非凝集状態をCNH を応用できないかと考えた。骨転移環境下では，示すが，これを細胞に取り込ませた後，外部磁界を印破骨細胞（OC）の働きが活性化され，骨吸収に伴う加すると細胞内の NFPs が磁化される。この状態で疼痛や骨脆弱性の増加，溶解された骨基質成分により不均一な外部磁界を与える事によって磁化された

No. 4, 2022247

最新のトピックス

図１ 人工自家骨作製の概念図

図２ NFPs 取り込みの TEM 像（a）NFPs を取り込んだ OB の観察結果，（b）取り込まれた NFPs の拡大図

NFPs は取り込んだ細胞の位置を直接細胞に触れるこ

終的には in vivo での骨再生への有効性を検討し，骨となく誘導できるので，自由自在に3D 細胞構造体を欠損を修復するためのテーラーメイドな人工自家骨の形成できるはずである。そして，この3D 構築した骨開発を目指す。

芽細胞（OB）に石灰化刺激を与える事によって培養細胞（in vitro）によるテーラーメイドの人工自家骨の作製が可能になると考えた。

Ⅳ

in vitro 骨形成評価法の標準化

骨組織を対象とするバイオマテリアルや新規治療薬

これまでの実験で図２に示すように自作した約の開発とその実用化に向けて，実際の生体内の骨形成

20 nm の粒径サイズの NFPs は期待通りに CNH などの機能にどのような影響があるかを，動物を使って評と同様に OB に大量に取り込まれるにもかかわらず，価することは最重要項目の一つである。その一方で，細胞毒性はほとんど示さない事が明らかとなっている。

in vivo 実験の規制は厳格化されており，必要最小限さらに，石灰化機能性評価と磁界による細胞の移動もに留めることが求められている。したがって，研究開確認できており，NFPs を取り込ませた OB による3D発の初期段階で実施される in vitro 実験で in vivo 実造形のための基盤データの収集が完了している。

験を代替できることが好ましい。

今後は第二段階として，導出した NFPs の最適暴

ところが，骨芽系細胞を使用したマテリアルなどの露条件を用い，外部磁界印加による NFP-OB の3D

骨形成機能評価において，in vivo 実験の結果と一致造形を確認した上で，その状態での石灰化の可否や機しない事例や再現性が得られない事例が報告される4）。

械的特性の検討を行っていく予定である。そして，最我々は，この根本原因の一つと考えられる既存の in248

信州医誌

Vol. 70最新のトピックス

vitro 骨形成評価に潜む問題点を骨形成研究全般に長5）着目し，その特異マーカーを見つけ出すことを通じて，く用いられている MC3T3-E1細胞を使って報告した 。

in vitro 骨形成機能標準評価法の開発に結び付けようこの実験では，異なる多数の論文報告がある細胞培地と試みている。本研究から導き出される新規知見は，条件，すなわち培地の種類，鮮度，添加物の差異だけ

OB 及び骨形成に関連する基礎研究全般に対して大いで評価の基準となる細胞増殖，OB の分化状態，アルに役立つと確信している。

カリホスファターゼ活性及び骨石灰化能が大きく異なⅤ おわりにることが明らかとなった。このことは，同じマテリア
ルや薬剤成分を評価してもその条件の違いから評価

ここに紹介した以外にも生体由来物質を用いたアミが異なってしまう危険性があることを示唆している。

ロイドタンパク質をターゲットとした治療薬の開発等

そのため，生体内の骨形成状態を適切に反映した inが大学院生主導で進められている。若い異分野出身のvitro 条件を明らかにし，骨形成機能評価法の標準化

大学院生こそが生み出す新たな研究を今後もアシストを目指したい。

していきたいと考えている。

現在，骨形成の重要な指標と考えられる骨石灰化に文

献1） Kuroda C, Ueda K, Haniu H, et al : Different aggregation and shape characteristics of carbon materials affect biologicalresponses in RAW264 cells. Int J Nanomedicine 13 : 6079-6088, 20182） Nakamura M, Ueda K, Yamamoto Y, et al : Ibandronate-Loaded Carbon Nanohorns Fabricated Using Calcium
Phosphates as Mediators and Their Effects on Macrophages and Osteoclasts. ACS Appl Mater Interfaces 13 : 37013712, 2021
3） El-Dek SI, Ali MA, El-Zanaty SM, Ahmed SE : Comparative investigations on ferrite nanocomposites for magnetic
hyperthermia applications. J Magn Magn Mater 458 : 147-155, 20184） Kohli N, Ho S, Brown SJ, et al : Bone remodelling in vitro : Where are we headed ? -A review on the current
understanding of physiological bone remodelling and inflammation and the strategies for testing biomaterials invitro. Bone 110 : 38-46, 20185） Izumiya M, Haniu M, Ueda K, et al : Evaluation of MC3T3-E1 Cell Osteogenesis in Different Cell Culture Media. Int
J Mol Sci 22 : 7752, 2021

No. 4, 2022

249