JP4187917B2 - Method for producing glycosaminoglycan-collagen complex for tissue regeneration matrix - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軟骨等の組織再生マトリックス用グリコサミノグリカン(GAG)−コラーゲン複合体の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
軟骨は非常に再生しにくい臓器であるが、加齢やスポーツ障害による変形性関節症等の関節疾患の対策として軟骨再生材料の開発が切望されている。軟骨組織の主成分は、II型コラーゲン、ヒアルロン酸、コンドロイチン硫酸鎖が豊富なプロテオグリカンである。これまで、ハイドロキシアパタイト−II型コラーゲン、ヒアルロン酸、コンドロイチン硫酸自己組織化体が、invivoにおいてある程度軟骨再生を促進する結果が得られている。
【0003】
また、これまで、ヒアルロン酸を架橋剤(ジアミン、ジエポキシ、エピクロロヒドリン)により架橋したもの、縮合剤(水溶性カルボジイミド)により架橋したもの、ヒアルロン酸のカルボキシル基の部分に疎水基を導入したもの等が報告されている。
【0004】
また、グリコサミノグリカン(GAG)−コラーゲン複合体の調製は、コラーゲン溶液を凍結乾燥したコラーゲンマトリックスへのGAGの固定化(J.S.Pieper et al.,「Biomaterials」, 2000,21:581-593)やGAG−コラーゲンコンプレックスを化学架橋する手法が取られていた(特表平6−505642号公報、特開平7−196704号公報)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
グリコサミノグリカンとコラーゲンとの複合体に関しては、コラーゲンスポンジに縮合剤を用いてグリコサミノグリカンを固定化する手法と、グリコサミノグリカンとコラーゲンのポリイオンコンプレックスを縮合剤を用いて架橋する手法が報告されているが、これらの手法を用いると成型が困難であるという問題がある。
【0006】
本発明は、鋳型に入れて成型が可能である系において、軟骨、肝臓、血管、神経等、さまざまな組織再生マトリックスとして使用できる、各組織に極めて類似した物性を示し、生物学的機能も優れている組織再生材料の開発を目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
ヒアルロン酸はグリコサミノグリカンと呼ばれる多糖類の一つであり、II型コラーゲンはポリカチオンの一つである。ヒアルロン酸水溶液とII型コラーゲン塩酸溶液は混合するとポリイオンコンプレックス(PIC)を形成することが知られている。これは、ヒアルロン酸の分子鎖がカルボキシル基の解離により負に帯電(ポリアニオン)しており、一方、II型コラーゲンは高分子鎖全体として正に帯電(ポリカチオン)しているため(等電点8以上)である。
【0008】
また、縮合剤である水溶性カルボジイミド(WSC:1−エチル−3−(3−(ジメチルアミノプロピル)カルボジイミド)は、pH4から8の条件下で安定にカルボキシル基を活性化し、その活性中間体はアミノ基および水酸基と反応し、アミドおよびエステルを形成することが知られている。
【0009】
本発明者は、グリコサミノグリカン−ポリカチオン複合体(ハイブリッド)ゲルの調製について検討を行った結果、特定の塩濃度を用いてグリコサミノグリカンとポリカチオンであるコラーゲンとがポリイオンコンプレックスを形成するのを抑制しつつ縮合剤を用いて架橋させることにより、WSCを用いた縮合反応によりグリコサミノグリカン−コラーゲン複合体ゲルを得ることができ、軟骨、肝臓、血管、神経等、さまざまな組織の優れた再生材料を得ることができることを見出した。
【0010】
本発明は、グリコサミノグリカンとコラーゲンを縮合反応により架橋した組織再生マトリックス用グリコサミノグリカン−コラーゲン複合体を提供する。
【0011】
すなわち、本発明は、グリコサミノグリカンとコラーゲンを縮合反応により架橋したグリコサミノグリカン−とコラーゲン複合体を製造する方法において、
グリコサミノグリカンとコラーゲンの混合水溶液に水に溶解する塩を存在させることによってグリコサミノグリカンとコラーゲンがポリイオンコンプレックスを形成するのを抑制しつつ、縮合剤として水溶性カルボジイミドを用いた縮合反応により架橋することを特徴とする組織再生マトリックス用グリコサミノグリカン−コラーゲン複合体の製造方法である。
【0012】
また、本発明は、縮合剤として水溶性カルボジイミドと2−ヒドロキシスクシンイミドを組み合わせて用いることを特徴とする上記のグリコサミノグリカン−コラーゲン複合体の製造方法である。
【0013】
また、本発明は、グリコサミノグリカンがヒアルロン酸であり、コラーゲンがII型コラーゲンであり、塩がNaClであり、塩濃度が0.4±0.05Mであることを特徴とする上記のグリコサミノグリカン−コラーゲン複合体の製造方法である。
【0014】
また、本発明は、縮合反応前のゾル状の水溶液を鋳型に流し込み、次いで縮合反応を行なうことによって耳、鼻、又は軟骨欠損部の形状を形成することを特徴とする上記のグリコサミノグリカン−コラーゲン複合体の製造方法である。
【0015】
また、本発明は、架橋によって形成したグリコサミノグリカン−コラーゲン複合体のハイドロゲルからなるマトリックスを水で洗浄し、マトリックス中の塩のイオン、水溶性カル ボジイミド、および副生成物を除去することを特徴とする上記のグリコサミノグリカン−コラーゲン複合体の製造方法である。
【0016】
グリコサミノグリカンとしては、ヒアルロン酸、コンドロイチン硫酸、ヘパリン、ケラタン硫酸、ヘパラン硫酸等の多糖類をいずれも用いることができる。コラーゲンには10数種のタイプがあるが、種類は特に限定されない。グリコサミノグリカンの代表的なものとしてヒアルロン酸(略号HyalA)を用い、コラーゲンとしてII型コラーゲンを用いた場合について、以下に本発明を詳しく説明する。
【0017】
本発明の方法において、架橋形成の条件は、(1)PICを形成しない塩濃度、すなわち、静電的相互作用によりPICを形成しないような塩濃度で架橋を行うことと、(2)WSCの安定性の高いpH4以上で架橋を行うことである。
【0018】
NaCl等の塩を含まない水中においてヒアルロン酸はカルボキシル基により分子として負に帯電しており(ポリアニオン)、一方、コラーゲンは分子全体で正に帯電している。塩を含まないヒアルロン酸水溶液と塩を含まないコラーゲン水溶液を混合するとヒアルロン酸の負電荷とコラーゲンの正電荷によってポリイオンコンプレックスとして沈殿が生じる。
【0019】
ヒアルロン酸とコラーゲンの水溶液を混合する際に適量の塩が存在すると、塩の溶解によって生じたイオンがヒアルロン酸とコラーゲンの電荷を打ち消すためにポリイオンコンプレックスは形成されなくなる。このような原理であるために用いる塩の種類は、水に溶解する塩、例えば、NaCl、CaCl2、Na2SO2等、であればどのような塩でも使用できる。ただ、塩の種類により最適塩濃度が若干変わることがある。水溶性カルボジイミドで架橋を行うのは、このポリイオンコンプレックスを形成しない塩濃度のときである。
【0020】
架橋直後では、塩がゲル中に塩のイオンの状態でまだ存在している。この塩を除くには、大過剰の水で洗浄する。ゲル中に含まれるイオンを除かないと、ポリイオンコンプレックスによる架橋形成を行うことができない。すなわち、共有結合+静電的相互作用による結合が形成されない。
【0021】
縮合剤で架橋を行う利点は、(1)架橋形成後、縮合剤を洗浄で除くことが可能であるため、架橋剤の毒性を問題にしなくてよいこと、(2)生分解性ハイドロゲルが得られること、(3)縮合剤の濃度をコントロールすることにより架橋度のコントロール(ポアサイズのコントロール)が可能であること、(4)ハイドロゲルに組織の修復を早める作用のあるタンパク質であるTGF−β(Transforming Growth Factor beta) 、繊維芽細胞の増殖を早める繊維芽細胞増殖因子FGF(Fibroblast Growth Factor)、血管内皮細胞の増殖を早める血管内皮細胞増殖因子VEGF(Vascular Endothelial Growth Factor)等のサイトカイン類を内包させ、徐放することも可能であること等である。
【0022】
本発明のヒアルロン酸−II型コラーゲン複合体は、含水率が90〜99重量%、ヒアルロン酸(ポリアニオン)/コラーゲン(ポリカチオン)比(重量)が50/50〜5/95、空孔率が90〜99容積%である。架橋密度は、含水率に対応している。
【0023】
図1は、本発明の方法によってグリコサミノグリカン−コラーゲン(ポリカチオン)ゲルを形成直後の複合マトリックスの模式図である。複合マトリックスを形成した直後には、複合マトリックスに塩(図1の場合はNaCl)が入っているので、NaイオンとClイオンがマトリックス中に存在するために共有結合のみでマトリックスが架橋されている。次に、複合マトリックスを大過剰の水に入れ、マトリックス内部のNaイオン、Clイオンを除く。
【0024】
図2は、ヒアルロン酸とII型コラーゲンのゲルの水中での膨潤時の構造(共有結合+静電的相互作用)を示す模式図である。この模式図は、大過剰の水でマトリックスを洗浄し、マトリックス中のNaイオン、Clイオン、水溶性カルボジイミドおよびウレア等の副生成物を除去した後の構造を示す。この場合、水溶性カルボジイミドによって形成した共有結合(アミドとエステル結合)の他にも結合が形成されると考えられる。この結合は、COO−とNH3+との静電的な相互作用によるものである。これは、NaイオンとClイオンがマトリックス内部から除かれるために未反応のカルボキシル基とアミノ基がコンプレックスを作り、見掛け上の架橋点になるということである。
【0025】
図3は、ヒアルロン酸とII型コラーゲンの混合比を1:1とした場合のヒアルロン酸溶液の種々のpHにおけるPIC形成を500nmの光の透過率(%)を調べることにより評価したグラフである。この図は、ヒアルロン酸とコラーゲン水溶液(それぞれ1.25%の濃度)を重量比1:1で混合したときに、どのようなpHの時にポリイオンコンプレックスを形成しなくなるかを調べたものである。横軸にヒアルロン酸水溶液のpHを取り、縦軸に500nmの光の透過率(分光光度計[UV/Vis spectrometer] を使用)を取っている。
【0026】
透過率が0%の時には、光が透過しないということであるから、ポリイオンコンプレックスが形成していることを示す。100%に近づくほどポリイオンコンプレックスが形成されないことを示している。ヒアルロン酸水溶液のpHが6から1.5の間では、透過率がほとんど0%なので、ポリイオンコンプレックスが形成している。PHが1になると透過率が約70%まで上昇しているので、ポリイオンコンプレックスが形成されなくなることが分かる。
【0027】
図4は、同じく、種々の塩(図1の場合はNaCl)濃度におけるPIC形成を500nmの光の透過率(%)を調べることにより評価したグラフである。この図は、ヒアルロン酸とコラーゲン水溶液(それぞれ1.25%の濃度)を重量比1:1で混合したときに、どのような塩濃度の時にポリイオンコンプレックスを形成しなくなるかを調べたものである。横軸にヒアルロン酸とコラーゲンの混合液中に含まれるNaCl濃度を取り、縦軸に500nmの光の透過率を取っている。
【0028】
透過率が0%の時には、光が透過しないということであるから、ポリイオンコンプレックスが形成していることを示す。100%に近づくほどポリイオンコンプレックスが形成されないことを示す。NaCl濃度が0.4M近くで透過率が急上昇し、0.4Mで透過率が最大値を示していることから、0.4Mおよびその近傍、数値で表現すれば0.4±0.05M程度でポリイオンコンプレックスが形成されなくなることが分かる。
【0029】
図3、図4から、pH1または0.4MのNaCl濃度の時に光の透過率(%)が最大となり、PICの形成が大幅に抑制されることが明らかとなった。この理由は、低pHになるとヒアルロン酸およびII型コラーゲンのカルボキシル基の解離が抑制される(pKa以下)ため、II型コラーゲンのプロトン化したアミノ基とコンプレックスを形成できな<なるためであると考えられる。
【0030】
一方、NaCl濃度が0.4Mのときに透過率が最大値を取る理由としては、以下のことが考えられる。すなわち、塩濃度が0.4Mまでは塩添加がPICの形成を抑制する方向に働き、塩濃度が0.4Mを超えると塩析効果によりコラーゲンが析出してくるためであると考えられる。
【0031】
以上の結果から、ヒアルロン酸とII型コラーゲンがPICを形成しない最適の条件は、pH1または塩濃度0.4Mのときであることが明らかとなった。縮合剤のWSCが安定にカルボキシル基を活性化するpHは、4〜8であり、pH1の条件下では極めて不安定である。そこで、塩濃度0.4Mの条件下で種々の濃度のWSC(0〜1000mM)を添加し、架橋を行った。
【0032】
図5は、得られたゲルを大過剰の水で洗浄し、ゲルのマトリックスから縮合剤およびNaイオン、Clイオンを除去し、これを凍結乾燥したマトリックスの膨潤度[Swelling Ratio;乾燥したゲルが自重の何倍、水を吸収するかという値=(湿潤ゲルの重量−乾燥ゲルの重量)/乾燥ゲルの重量]とWSC濃度(mM)の関係を示すグラフである。
【0033】
この図は、ヒアルロン酸とコラーゲンの混合比が1:1の場合に、水溶性カルボジイミド(WSC)の濃度を変化させたときに得られた複合体の膨潤度がどのように変化するかを調べたものである。この図から言えることは、縮合剤の濃度をコントロールすることによって複合体中に含まれる水の含量をコントロールできるということである。膨潤度が小さくなるということは、複合体中に含まれる水の含量が少なくなることを意味するので、複合体は硬くなる。
【0034】
図6は、ヒアルロン酸とII型コラーゲンの混合比を変えた場合の、マトリックスの転化率とWSC濃度(mM)の関係を示すグラフである。この図は、水溶性カルボジイミド(WSC)の濃度が転化率に及ぼす影響を調べた結果を示すものである。対象の複合体は、ヒアルロン酸とコラーゲンの比率が1:1から1:8までのものである。水溶性カルボジイミドの濃度を増加させていくと、およそ20〜30mMで100%近くに達していることから、ほぼ仕込通りのヒアルロン酸−II型コラーゲン複合体が得られることを示している。
【0035】
逆に言えば、20〜30mM以上の水溶性カルボジイミドを添加しないと定量的に複合体が得られないということを示している。WSC濃度が100mM以上のときには転化率はさらに大きくなる。ヒアルロン酸の分子量、あるいは、ヒアルロン酸とコラーゲンの濃度を上げると水溶性カルボジイミド濃度は20mMより低い値でも架橋は可能である。
【0036】
図7は、同様に、マトリックスの膨潤度とWSC濃度(mM)の関係を示すグラフである。この図は、ヒアルロン酸とコラーゲンの比率を1:1から1:8まで変えた場合についても水溶性カルボジイミドの濃度をコントロールすることによって膨潤度の制御が可能であることを示している。
【0037】
【発明の実施の形態】
本発明の方法は、水溶性カルボジイミドを用いてグリコサミノグリカンとコラーゲン(ポリカチオン)の架橋を行う際に、ポリイオンコンプレックスを形成しない条件で架橋を行うものであり、ポリイオンコンプレックスを形成させない条件は2つある。一つは、グリコサミノグリカン(例えば、ヒアルロン酸)のカルボキシル基を解離させないpH、もう一つは、ポリイオンコンプレックスを形成しない最適な塩濃度である。ポリイオンコンプレックスを形成しないこの最適の条件は、ヒアルロン酸とII型コラーゲンの組み合わせの場合は、pHが1の時と、NaCl濃度が0.4±0.05M(pHは、pH調整をしない状態でおよそ5)の時である。この値は、グリコサミノグリカンとコラーゲンの他の組み合わせ(例えば、コンドロイチン硫酸とコラーゲン)では、多少変動するので、それぞれの組み合わせによって最適値を定める。
【0038】
しかし、水溶性カルボジイミドを用いて架橋を行う場合には、水溶性カルボジイミドの安定性を考える必要がある。水溶性カルボジイミドが安定に反応するpHは、4〜8であるから、塩を添加した場合には、水溶性カルボジイミドが安定に存在するpH4〜8の範囲内にあるために架橋が可能となる。
【0039】
また、用いる水溶性カルボジイミドは、pHが4〜8の範囲のときに安定にカルボキシル基を活性化し、アミノ基または水酸基と反応する試薬である。つまり、水溶性カルボジイミドが安定に存在してポリイオンコンプレックスを形成しない条件というのは、NaCl濃度が0.4±0.05M(このときのpHは、およそ5)の時ということになる。水溶性カルボジイミドの濃度は、グリコサミノグリカンの分子量、あるいはグリコサミノグリカンとコラーゲンの濃度を上げると低い濃度でも架橋が可能である。
【0040】
水溶性カルボジイミドに2−ヒドロキシスクシンイミドを組み合わせて用いてもよい。2−ヒドロキシスクシンイミドは、水溶性カルボジイミドの反応効率を上げるために使用するもので、その濃度は、水溶性カルボジイミドが1に対して1〜0.1が好ましい。
【0041】
グリコサミノグリカンとコラーゲンの混合比は任意に変えることができ、混合比を変えることによって、物性や生物学的機能が変わってくる。ヒアルロン酸等グリコサミノグリカンの分子量は、この系では、数万〜数100万までどのような分子量のものについても適用できる。
【0042】
縮合剤の濃度をコントロールすることによって複合体中に含まれる水の含量をコントロールできる。複合体中に含まれる水の含量が少なくなる、つまり膨潤度が小さくなると複合体は硬くなる。硬いのがいいのかどうかは、複合体を使ってどのような組織を作るかによる。例えば、複合体を生体内で早く分解させたい時には、水溶性カルボジイミドの濃度を下げて、膨潤度を上げてやることが必要であり、硬いものが必要な場合には、水溶性カルボジイミドの濃度を上げることが必要となる。ただし、水溶性カルボジイミドは、生体に対していいものではないので、濃度が少なく、細胞の増殖能が高いものがより好ましい。
【0043】
架橋直後には塩が生成したゲル中に塩のイオン(NaClの場合はNaイオンとClイオン)の状態で存在しているので、ゲルを大過剰の水で洗浄して塩のイオンを除去する。洗浄方法としては、例えば、ゲルの体積で100倍量以上の脱イオン水に生成したゲルを浸漬する。洗浄によって、ゲルの中に含まれるイオンの他に、未反応の水溶性カルボジイミドおよびウレア等の副生成物が除去される。ゲル中に含まれるイオンを除くことによって共有結合+静電的相互作用による結合が形成される。
【0044】
本発明の複合体の利用に当たっては、縮合反応前のゾル状の水溶液を適当な鋳型に流し込み、縮合反応を行うことによって、さまざまな形の耳や鼻、軟骨欠損部位等複雑な形状のものまで容易に形成することが可能である。使用法については、スポンジ状、ゲル状のものを使用し、そのマトリックスの中に軟骨を作る場合は、軟骨細胞を、血管を作る場合は、血管内皮細胞を入れて培養する。マトリックス自身として使用可能の他、細胞の増殖、分化を促すための足場としてもマトリックスを使用できる。また、細胞等の実験に用いるには、水中で洗浄した後、生体中の浸透圧とほぼ等しい濃度の塩濃度を持つリン酸緩衝液中に入れ、複合体中の水をリン酸緩衝液に置換した後に使用する。
【0045】
【実施例】
実施例1〜6
ヒアルロン酸(分子量=640,000,生化学工業製)1.25w/v%水溶液およびII型コラーゲン(新田ゼラチン製)1.25w/v%0.01N−HClの混合溶液に0.4MのNaClを添加し、pHがおよそ5の状態で、縮合剤である水溶性カルボジイミド水溶液を滴下し、十分攪拌、脱泡した後、30℃で2時間放置した。その後、得られたゲルを大過剰の水で2日間洗浄し、ゲルのマトリックスから縮合剤、副生成物、およびNaイオン、Clイオンを除去した。これを1日間凍結乾燥した。
【0046】
実施例1〜6のそれぞれのヒアルロン酸対コラーゲンの比および添加した水溶性カルボジイミドの量(mM)を下記のとおりとした。実施例1=1:8−100、実施例2=1:1−100、実施例3=1:8−20、実施例4=1:4−20、実施例5=1:2−20、実施例6=1:1−20。例えば、1:8−100の実施例1では、ヒアルロン酸とコラーゲンの比率が1:8で、水溶性カルボジイミドの濃度が100mMを示している。なお、コントロールとしてTCPS(Tissue Culture PolyStylene;普段用いられている細胞培養用のシャーレ)とコラーゲン(20mMの水溶性カルボジイミドで架橋)を用いた。
【0047】
図8に、実施例6、ヒアルロン酸対コラーゲンの比および添加した水溶性カルボジイミドの量が1:1−200mMのもの、ヒアルロン酸、コラーゲンについて、それぞれFT−IRによりエステル形成の同定を行った結果を示す。実施例6について、化学反応によって共有結合が形成していることが確認できる。
【0048】
図9は、それぞれの実施例のヒアルロン酸とII型コラーゲンマトリックスを37℃で7日軟骨細胞培養し、細胞数をカウントした結果を示し、各実施例のそれぞれのヒアルロン酸対コラーゲン比−(WSC濃度)と相対成長率を棒グラフで示している。
【0049】
各実施例の複合体の調製には、厚さ1mm、直径15mmのディスク状の複合体を用いた。その上に、子牛の関節から取り出し増殖させた軟骨細胞を1×105 個播種した。このときの培養液の組成は、DMEM培地に10%ウシ血清(FBS)が入ったものを使用した。複合体上に細胞を播種した後、4日後に培養液を交換し、その後3日後(Total の培養日数7日)に細胞数をCell Counting Kit (同仁化学薬品(株) 製)を用いて計数した。
【0050】
データは、TCPS上の細胞数を1として相対的な細胞数を示してある。この結果から、まず言えることは、本発明による複合体は、どのような比率でも有意(4〜7倍)に軟骨細胞の増殖を促進するということである。これが、コラーゲンのみであると全くといっていいほど細胞数が増えていないが、ヒアルロン酸と複合化することによって優れた細胞増殖能があることが分かる。
【0051】
また、ヒアルロン酸とコラーゲンとの比率の違いというものは、この場合には、認められない。水溶性カルボジイミドの濃度の違いも有意な差とは言えない。細胞の形態には差があり、TCPSとコラーゲン上では、軟骨細胞が繊維状の形態をしており、実施例の複合体上では、軟骨細胞特有の丸い形態をしていることから細胞に対する適合性が高いと言える。
【0052】
物性と生物学的機能で最も優れている条件は実施例3の条件である。図7では、ヒアルロン酸とコラーゲンとの比が1:4または1:8で水溶性カルボジイミドが20mMの時に膨潤度が極小値を取っている。これは、複合体中に含まれる水が他のものに比べて少なく、硬いことを示す。すなわち、取り扱いやすいということである。また、図9で、実施例3と実施例4を比較すると細胞数にそれ程差はないとは言え、実施例3の方が、より生物学的に活性が高いと言える。実施例6は最も細胞数が多いが強度が弱く最適とは言えない。
【0053】
【発明の効果】
本発明のグリコサミノグリカンとコラーゲン複合ゲル、例えばヒアルロン酸−II型コラーゲン複合ゲルは、耳、鼻、軟骨欠損部等の複雑な形状を容易に形成することが可能であり、架橋剤の毒性を考慮する必要がなく、生体内の酵素(ヒアルロニダーゼ、コラゲナーゼ)により分解することが予想され、組織再生マトリックスとしての有用性が極めて大きいものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、ヒアルロン酸とII型コラーゲンのゲル形成時の構造(共有結合)を示す模式図である。
【図2】図2は、ヒアルロン酸とII型コラーゲンのゲルの水中での膨潤時の構造(共有結合+静電的相互作用)を示す模式図である。
【図3】図3は、ヒアルロン酸溶液の種々のpHにおけるPICの形成を500nmの光の透過率(%)を調べることにより評価したグラフである。
【図4】図4は、ヒアルロン酸溶液の種々の塩(NaCl)濃度におけるPICの形成を500nmの光の透過率(%)を調べることにより評価したグラフである。
【図5】図5は、ヒアルロン酸とII型コラーゲンマトリックスの膨潤度とWSC濃度(mM)の関係を示すグラフである。
【図6】図6は、ヒアルロン酸とII型コラーゲンの混合比を変えた場合の、ヒアルロン酸とII型コラーゲンマトリックスの転化率とWSC濃度(mM)の関係を示すグラフである。
【図7】図7は、ヒアルロン酸とII型コラーゲンの混合比を変えた場合の、ヒアルロン酸とII型コラーゲンマトリックスの膨潤度とWSC濃度(mM)の関係を示すグラフである。
【図8】図8は、本発明のヒアルロン酸とII型コラーゲンマトリックスについてのFT−IRによるエステル形成の同定を示すグラフである。
【図9】図9は、各実施例によって得られたヒアルロン酸とII型コラーゲンマトリックスを用いて軟骨細胞培養したヒアルロン酸対コラーゲン比−(WSC濃度)と相対成長率を示すグラフである。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention, tissue regeneration matrix for glycosaminoglycans of cartilage, etc. (GAG) - a method of manufacturing a collagen composite.
[0002]
[Prior art]
Although cartilage is an extremely difficult organ to regenerate, the development of cartilage regeneration material is eagerly desired as a countermeasure for joint diseases such as osteoarthritis due to aging and sports disorders. The main component of the cartilage tissue is proteoglycan rich in type II collagen, hyaluronic acid, and chondroitin sulfate chains. To date, hydroxyapatite-type II collagen, hyaluronic acid, and chondroitin sulfate self-assembled bodies have been shown to promote cartilage regeneration to some extent in vivo.
[0003]
In addition, hyaluronic acid has been crosslinked with a crosslinking agent (diamine, diepoxy, epichlorohydrin), crosslinked with a condensing agent (water-soluble carbodiimide), and a hydrophobic group has been introduced into the carboxyl group of hyaluronic acid. Things have been reported.
[0004]
In addition, preparation of glycosaminoglycan (GAG) -collagen complex can be achieved by immobilizing GAG on a collagen matrix obtained by freeze-drying a collagen solution (JSPieper et al., “Biomaterials”, 2000, 21: 581-593) The technique of chemically cross-linking the GAG-collagen complex has been taken (JP-A-6-505642, JP-A-7-196704).
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Regarding the complex of glycosaminoglycan and collagen, a method of immobilizing glycosaminoglycan on a collagen sponge using a condensing agent and a method of crosslinking a polyion complex of glycosaminoglycan and collagen using a condensing agent However, when these methods are used, there is a problem that molding is difficult.
[0006]
The present invention can be used as various tissue regeneration matrices, such as cartilage, liver, blood vessels, nerves, etc., in a system that can be molded in a mold, and exhibits very similar physical properties to each tissue and excellent biological function. The purpose is to develop tissue regeneration materials.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
Hyaluronic acid is one of the polysaccharides called glycosaminoglycans, and type II collagen is one of the polycations. It is known that when a hyaluronic acid aqueous solution and a type II collagen hydrochloric acid solution are mixed, a polyion complex (PIC) is formed. This is because the molecular chain of hyaluronic acid is negatively charged (polyanion) due to dissociation of the carboxyl group, while type II collagen is positively charged (polycation) as a whole polymer chain (isoelectric point). 8 or more).
[0008]
Water-soluble carbodiimide (WSC: 1-ethyl-3- (3- (dimethylaminopropyl) carbodiimide), which is a condensing agent, stably activates a carboxyl group under the conditions of
[0009]
As a result of studying preparation of a glycosaminoglycan-polycation complex (hybrid) gel, the present inventor formed a polyion complex between glycosaminoglycan and polycation collagen using a specific salt concentration. Can be obtained by a condensation reaction using WSC by cross-linking with a condensing agent while suppressing the formation of a glycosaminoglycan- collagen complex gel, and various tissues such as cartilage, liver, blood vessels, nerves, etc. It was found that an excellent recycled material can be obtained.
[0010]
The present invention, glycosaminoglycan and tissue regeneration matrix for glycosaminoglycans collagen crosslinked by a condensation reaction - that provides collagen composite.
[0011]
That is , the present invention relates to a method for producing a glycosaminoglycan-collagen complex in which glycosaminoglycan and collagen are crosslinked by a condensation reaction.
By suppressing the formation of a polyion complex between glycosaminoglycan and collagen by the presence of a salt that dissolves in water in a mixed aqueous solution of glycosaminoglycan and collagen, and by a condensation reaction using water-soluble carbodiimide as a condensing agent. A method for producing a glycosaminoglycan- collagen complex for tissue regeneration matrix, which is crosslinked.
[0012]
Further, the present invention, the glycosaminoglycan, which comprises using a combination of water-soluble carbodiimide and 2-hydroxy succinimide as condensing agent - a method for producing a collagen composite.
[0013]
The present invention also provides the glycosaminoglycan described above, wherein the glycosaminoglycan is hyaluronic acid, the collagen is type II collagen, the salt is NaCl, and the salt concentration is 0.4 ± 0.05 M. This is a method for producing a saminoglycan- collagen complex.
[0014]
The present invention also provides the glycosaminoglycan described above, wherein the sol-form aqueous solution before the condensation reaction is poured into a mold, and then the condensation reaction is performed to form the shape of an ear, nose, or cartilage defect. -A method for producing a collagen complex.
[0015]
The present invention also glycosaminoglycan formed by crosslinking - to a matrix of hydrogels collagen composite was washed with water to remove ions of the salt in the matrix, water-soluble carbodiimide, and the by-products A method for producing the glycosaminoglycan- collagen complex described above.
[0016]
The glycosaminoglycan, hyaluronic acid, chondroitin sulfate, heparin, keratan sulfate, Ru can be used both to polysaccharides such as heparan sulfate. The collagen has 10 several types, types have a particularly limited. Using hyaluronic acid (abbreviation HyalA) as glycosaminoglycan representative of the case of using type II collagen as collagen, the present invention will be described in detail below.
[0017]
In the method of the present invention, the conditions for cross-linking are as follows: (1) cross-linking at a salt concentration that does not form PIC, that is, salt concentration that does not form PIC by electrostatic interaction; Crosslinking is performed at
[0018]
In water containing no salt such as NaCl, hyaluronic acid is negatively charged as a molecule by a carboxyl group (polyanion), while collagen is positively charged as a whole molecule. When a salt-free hyaluronic acid aqueous solution and a salt-free collagen aqueous solution are mixed, precipitation occurs as a polyion complex due to the negative charge of hyaluronic acid and the positive charge of collagen.
[0019]
When an appropriate amount of salt is present when mixing an aqueous solution of hyaluronic acid and collagen, a polyion complex is not formed because ions generated by dissolution of the salt cancel the charge of hyaluronic acid and collagen. The salt used for this principle can be any salt that dissolves in water, for example, NaCl, CaCl 2 , Na 2 SO 2, etc. However, the optimum salt concentration may vary slightly depending on the type of salt. The crosslinking with water-soluble carbodiimide is performed at a salt concentration that does not form this polyion complex.
[0020]
Immediately after crosslinking, salt is still present in the gel in the form of salt ions. To remove this salt, wash with a large excess of water. Unless the ions contained in the gel are removed, it is not possible to form a crosslink by a polyion complex. That is, a bond by a covalent bond + electrostatic interaction is not formed.
[0021]
The advantages of crosslinking with a condensing agent are (1) that the condensing agent can be removed by washing after the cross-linking, so that the toxicity of the cross-linking agent does not have to be a problem, and (2) the biodegradable hydrogel has (3) The degree of crosslinking can be controlled (pore size control) by controlling the concentration of the condensing agent, and (4) TGF-, which is a protein that has a function of accelerating tissue repair in a hydrogel. Cytokines such as β (Transforming Growth Factor beta), fibroblast growth factor FGF (accelerating fibroblast growth), vascular endothelial growth factor VEGF (Vascular Endothelial Growth Factor) accelerating proliferation of vascular endothelial cells It is also possible to encapsulate and release it slowly.
[0022]
The hyaluronic acid-type II collagen complex of the present invention has a water content of 90 to 99% by weight, a hyaluronic acid (polyanion) / collagen (polycation) ratio (weight) of 50/50 to 5/95, and a porosity of 90-99% by volume. The crosslink density corresponds to the water content.
[0023]
FIG. 1 is a schematic view of a composite matrix immediately after forming a glycosaminoglycan- collagen ( polycation ) gel by the method of the present invention. Immediately after the formation of the composite matrix, salt (NaCl in the case of FIG. 1) is contained in the composite matrix. Therefore, since the Na ions and Cl ions are present in the matrix, the matrix is crosslinked only by covalent bonds. . Next, the composite matrix is placed in a large excess of water to remove Na ions and Cl ions inside the matrix.
[0024]
FIG. 2 is a schematic diagram showing the structure (covalent bond + electrostatic interaction) when a gel of hyaluronic acid and type II collagen swells in water. This schematic diagram shows the structure after washing the matrix with a large excess of water to remove by-products such as Na ions, Cl ions, water soluble carbodiimide and urea in the matrix. In this case, it is considered that a bond is formed in addition to the covalent bond (amide and ester bond) formed by the water-soluble carbodiimide. This bond is due to the electrostatic interaction between COO- and NH3 + . This means that since Na ions and Cl ions are removed from the inside of the matrix, the unreacted carboxyl group and amino group form a complex and become an apparent crosslinking point.
[0025]
FIG. 3 is a graph showing an evaluation of PIC formation at various pH of a hyaluronic acid solution by examining the transmittance (%) of light at 500 nm when the mixing ratio of hyaluronic acid and type II collagen is 1: 1. . This figure is an examination of the pH at which a polyion complex is not formed when hyaluronic acid and a collagen aqueous solution (each having a concentration of 1.25%) are mixed at a weight ratio of 1: 1. The horizontal axis represents the pH of the hyaluronic acid aqueous solution, and the vertical axis represents the light transmittance of 500 nm (using a spectrophotometer [UV / Vis spectrometer]).
[0026]
When the transmittance is 0%, it means that no light is transmitted, which indicates that a polyion complex is formed. It shows that a polyion complex is not formed as it approaches 100%. When the pH of the aqueous hyaluronic acid solution is between 6 and 1.5, the transmittance is almost 0%, so that a polyion complex is formed. It can be seen that when PH becomes 1, the transmittance increases to about 70%, so that the polyion complex is not formed.
[0027]
FIG. 4 is also a graph in which PIC formation at various salt concentrations (in the case of FIG. 1, NaCl) was evaluated by examining the transmittance (%) of light at 500 nm. This figure is an examination of the salt concentration at which polyion complexes are not formed when hyaluronic acid and collagen aqueous solution (each having a concentration of 1.25%) are mixed at a weight ratio of 1: 1. . The horizontal axis represents the NaCl concentration contained in the mixed solution of hyaluronic acid and collagen, and the vertical axis represents the light transmittance of 500 nm.
[0028]
When the transmittance is 0%, it means that no light is transmitted, which indicates that a polyion complex is formed. It shows that a polyion complex is not formed so that it approaches 100%. When the NaCl concentration is close to 0.4M, the transmittance sharply increases, and the transmittance shows the maximum value at 0.4M. Therefore, when expressed in terms of 0.4M and its vicinity, numerical values, about 0.4 ± 0.05M. It can be seen that no polyion complex is formed.
[0029]
FIG. 3 and FIG. 4 reveal that the light transmittance (%) is maximized at
[0030]
On the other hand, the reason why the transmittance has the maximum value when the NaCl concentration is 0.4 M can be considered as follows. That is, it is considered that the addition of salt works to suppress the formation of PIC up to a salt concentration of 0.4M, and collagen precipitates due to the salting out effect when the salt concentration exceeds 0.4M.
[0031]
From the above results, it has been clarified that the optimum conditions under which hyaluronic acid and type II collagen do not form PIC are at
[0032]
FIG. 5 shows that the obtained gel was washed with a large excess of water to remove the condensing agent, Na ions, and Cl ions from the gel matrix, and the degree of swelling of the lyophilized matrix [Swelling Ratio; It is a graph which shows the relationship between the value of how many times its own weight absorbs water = (weight of wet gel−weight of dry gel) / weight of dry gel] and WSC concentration (mM).
[0033]
This figure shows how the degree of swelling of the complex obtained when the concentration of water-soluble carbodiimide (WSC) is changed when the mixing ratio of hyaluronic acid and collagen is 1: 1. It is a thing. What can be said from this figure is that the content of water contained in the complex can be controlled by controlling the concentration of the condensing agent. A reduction in the degree of swelling means that the content of water contained in the composite is reduced, so that the composite becomes hard.
[0034]
FIG. 6 is a graph showing the relationship between matrix conversion and WSC concentration (mM) when the mixing ratio of hyaluronic acid and type II collagen is changed. This figure shows the results of examining the influence of the concentration of water-soluble carbodiimide (WSC) on the conversion rate. The complex of interest is one having a hyaluronic acid to collagen ratio of 1: 1 to 1: 8. As the concentration of the water-soluble carbodiimide is increased, the concentration reaches approximately 100% at approximately 20 to 30 mM, indicating that a hyaluronic acid-type II collagen complex almost as prepared is obtained.
[0035]
Conversely, it indicates that a complex cannot be obtained quantitatively unless 20 to 30 mM or more of water-soluble carbodiimide is added. When the WSC concentration is 100 mM or more, the conversion rate is further increased. If the molecular weight of hyaluronic acid or the concentrations of hyaluronic acid and collagen are increased, crosslinking is possible even when the water-soluble carbodiimide concentration is lower than 20 mM.
[0036]
FIG. 7 is also a graph showing the relationship between the degree of swelling of the matrix and the WSC concentration (mM). This figure shows that even when the ratio of hyaluronic acid and collagen is changed from 1: 1 to 1: 8, the degree of swelling can be controlled by controlling the concentration of water-soluble carbodiimide.
[0037]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the method of the present invention, when a glycosaminoglycan and collagen ( polycation ) are crosslinked using a water-soluble carbodiimide, crosslinking is performed under conditions that do not form a polyion complex. There are two. One is a pH at which the carboxyl group of glycosaminoglycan (for example, hyaluronic acid) is not dissociated, and the other is an optimum salt concentration at which a polyion complex is not formed. The optimum conditions for not forming a polyion complex are as follows. In the case of a combination of hyaluronic acid and type II collagen, the pH is 1 and the NaCl concentration is 0.4 ± 0.05 M (pH is not adjusted). It is about 5). This value varies somewhat with other combinations of glycosaminoglycan and collagen (for example, chondroitin sulfate and collagen), and the optimum value is determined by each combination.
[0038]
However, when crosslinking is performed using a water-soluble carbodiimide, it is necessary to consider the stability of the water-soluble carbodiimide. Since the pH at which the water-soluble carbodiimide reacts stably is 4 to 8, when a salt is added, crosslinking is possible because the water-soluble carbodiimide is within the range of
[0039]
The water-soluble carbodiimide used is a reagent that stably activates a carboxyl group and reacts with an amino group or a hydroxyl group when the pH is in the range of 4-8. That is, the condition that the water-soluble carbodiimide is stably present and does not form a polyion complex is when the NaCl concentration is 0.4 ± 0.05 M (the pH at this time is approximately 5). The concentration of the water-soluble carbodiimide can be cross-linked even if the molecular weight of glycosaminoglycan or the concentration of glycosaminoglycan and collagen is increased.
[0040]
A combination of 2-hydroxysuccinimide and water-soluble carbodiimide may be used. 2-hydroxysuccinimide is used for increasing the reaction efficiency of the water-soluble carbodiimide, and the concentration of the water-soluble carbodiimide is preferably 1 to 0.1 with respect to 1.
[0041]
The mixing ratio of glycosaminoglycan and collagen can be arbitrarily changed, and changing the mixing ratio changes the physical properties and biological functions. The molecular weight of glycosaminoglycan such as hyaluronic acid can be applied to any molecular weight from tens of thousands to millions in this system.
[0042]
By controlling the concentration of the condensing agent, the content of water contained in the complex can be controlled. When the content of water contained in the composite decreases, that is, the degree of swelling decreases, the composite becomes hard. Whether it is hard or not depends on what type of tissue is made using the composite. For example, when it is desired to rapidly decompose the complex in vivo, it is necessary to lower the concentration of water-soluble carbodiimide and increase the degree of swelling.When a hard material is required, the concentration of water-soluble carbodiimide is reduced. It is necessary to raise. However, since water-soluble carbodiimide is not good for living organisms, it is more preferable to have a low concentration and a high cell growth ability.
[0043]
Immediately after crosslinking, salt ions are present in the form of salt ions (in the case of NaCl, Na ions and Cl ions), so the gel is washed with a large excess of water to remove the salt ions. . As a cleaning method, for example, a gel produced in deionized water having a gel volume of 100 times or more is immersed. By washing, in addition to ions contained in the gel, unreacted water-soluble carbodiimide and by-products such as urea are removed. By removing ions contained in the gel, a bond by a covalent bond + electrostatic interaction is formed.
[0044]
In using the complex of the present invention, a sol-like aqueous solution before the condensation reaction is poured into an appropriate template, and the condensation reaction is performed, so that various shapes such as ears, nose and cartilage defect sites can be obtained. It can be easily formed. As for the method of use, sponge-like or gel-like ones are used. When cartilage is produced in the matrix, chondrocytes are contained. When blood vessels are produced, vascular endothelial cells are introduced and cultured. In addition to being used as a matrix itself, the matrix can also be used as a scaffold for promoting cell proliferation and differentiation. In addition, for use in experiments on cells, etc., after washing in water, it is placed in a phosphate buffer having a salt concentration almost equal to the osmotic pressure in the living body, and the water in the complex is converted into a phosphate buffer. Used after replacement.
[0045]
【Example】
Examples 1-6
Hyaluronic acid (molecular weight = 640,000, manufactured by Seikagaku Corporation) 1.25 w / v% aqueous solution and type II collagen (manufactured by Nitta Gelatin) 1.25 w / v% 0.01 N HCl in a mixed solution of 0.4 M NaCl was added, and a water-soluble carbodiimide aqueous solution as a condensing agent was added dropwise in a state where the pH was about 5. The mixture was sufficiently stirred and degassed, and then allowed to stand at 30 ° C. for 2 hours. Thereafter, the obtained gel was washed with a large excess of water for 2 days to remove the condensing agent, by-products, Na ions, and Cl ions from the matrix of the gel. This was lyophilized for 1 day.
[0046]
The ratio of hyaluronic acid to collagen in each of Examples 1 to 6 and the amount (mM) of added water-soluble carbodiimide were as follows. Example 1 = 1: 8-100, Example 2 = 1: 1-100, Example 3 = 1: 8-20, Example 4 = 1: 4-20, Example 5 = 1: 2-20, Example 6 = 1: 1-20. For example, in Example 1 of 1: 8-100, the ratio of hyaluronic acid to collagen is 1: 8, and the concentration of water-soluble carbodiimide is 100 mM. As controls, TCPS (Tissue Culture PolyStylene; commonly used petri dishes for cell culture) and collagen (cross-linked with 20 mM water-soluble carbodiimide) were used.
[0047]
FIG. 8 shows the results of identification of ester formation by FT-IR for Example 6, the ratio of hyaluronic acid to collagen and the amount of added water-soluble carbodiimide of 1: 1-200 mM, hyaluronic acid and collagen, respectively. Indicates. About Example 6, it can confirm that the covalent bond has formed by chemical reaction.
[0048]
FIG. 9 shows the results obtained by culturing the hyaluronic acid and type II collagen matrix of each example for 7 days at 37 ° C. and counting the number of cells. The hyaluronic acid to collagen ratio of each example— (WSC) Concentration) and the relative growth rate are shown as bar graphs.
[0049]
For the preparation of the composite of each example, a disk-shaped composite having a thickness of 1 mm and a diameter of 15 mm was used. On top of that, 1 × 10 5 chondrocytes taken out from the calf's joint and proliferated were seeded. As the composition of the culture solution at this time, a DMEM medium containing 10% bovine serum (FBS) was used. After seeding the cells on the complex, the culture solution was changed after 4 days, and then the number of cells was counted using Cell Counting Kit (manufactured by Dojin Chemical Co., Ltd.) 3 days later (
[0050]
The data shows the relative number of cells, where the number of cells on TCPS is 1. From this result, the first thing that can be said is that the complex according to the present invention significantly promotes the proliferation of chondrocytes at any ratio (4 to 7 times). Although the number of cells does not increase so much that it is only collagen, it can be seen that it has an excellent cell growth ability by complexing with hyaluronic acid.
[0051]
In addition, the difference in the ratio between hyaluronic acid and collagen is not recognized in this case. The difference in the concentration of water-soluble carbodiimide is not a significant difference. There is a difference in cell morphology. On TCPS and collagen, chondrocytes are in a fibrous form, and on the composite of the example, the chondrocyte has a round shape that is unique to cells. It can be said that the nature is high.
[0052]
The conditions that are most excellent in physical properties and biological functions are those in Example 3. In FIG. 7, when the ratio of hyaluronic acid to collagen is 1: 4 or 1: 8 and the water-soluble carbodiimide is 20 mM, the degree of swelling is minimal. This indicates that the composite contains less water and is harder than the others. That is, it is easy to handle. In addition, in FIG. 9, when Example 3 and Example 4 are compared, it can be said that Example 3 is more biologically active, although there is not much difference in the number of cells. Although Example 6 has the largest number of cells, the strength is weak and it cannot be said to be optimal.
[0053]
【The invention's effect】
The glycosaminoglycan and collagen composite gel of the present invention, such as hyaluronic acid-type II collagen composite gel, can easily form complex shapes such as ears, nose, cartilage defects, etc., and toxicity of the crosslinking agent Therefore, it is expected to be degraded by enzymes in the living body (hyaluronidase, collagenase), and is extremely useful as a tissue regeneration matrix.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing the structure (covalent bond) during gel formation of hyaluronic acid and type II collagen.
FIG. 2 is a schematic diagram showing the structure (covalent bond + electrostatic interaction) of hyaluronic acid and type II collagen gel when swollen in water.
FIG. 3 is a graph in which the formation of PIC at various pH values of a hyaluronic acid solution was evaluated by examining the transmittance (%) of light at 500 nm.
FIG. 4 is a graph in which the formation of PIC at various salt (NaCl) concentrations of a hyaluronic acid solution was evaluated by examining the transmittance (%) of light at 500 nm.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the degree of swelling of hyaluronic acid and type II collagen matrix and the WSC concentration (mM).
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the conversion rate of hyaluronic acid and type II collagen matrix and WSC concentration (mM) when the mixing ratio of hyaluronic acid and type II collagen is changed.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the degree of swelling of hyaluronic acid and type II collagen matrix and the WSC concentration (mM) when the mixing ratio of hyaluronic acid and type II collagen is changed.
FIG. 8 is a graph showing the identification of ester formation by FT-IR for the hyaluronic acid and type II collagen matrix of the present invention.
FIG. 9 is a graph showing hyaluronic acid-collagen ratio (WSC concentration) and relative growth rate obtained by culturing chondrocytes using hyaluronic acid and type II collagen matrix obtained in each example.
Claims (5)
グリコサミノグリカンとコラーゲンの混合水溶液に水に溶解する塩を存在させることによってグリコサミノグリカンとコラーゲンがポリイオンコンプレックスを形成するのを抑制しつつ、縮合剤として水溶性カルボジイミドを用いた縮合反応により架橋することを特徴とする組織再生マトリックス用グリコサミノグリカン−コラーゲン複合体の製造方法。 In a method for producing a glycosaminoglycan-collagen complex in which glycosaminoglycan and collagen are crosslinked by a condensation reaction,
By suppressing the formation of a polyion complex between glycosaminoglycan and collagen by the presence of a salt that dissolves in water in a mixed aqueous solution of glycosaminoglycan and collagen, and by a condensation reaction using water-soluble carbodiimide as a condensing agent. A method for producing a glycosaminoglycan- collagen complex for tissue regeneration matrix, which comprises crosslinking.
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