石灰化のin vitroモデル

石灰化のin vitroモデルとは、体内で組織や生体材料が受ける石灰化プロセスを可能な限り最善の方法で再現するために開発されたシステムを指します。これらのシステムの目的は、血液中に存在する高レベルのカルシウムとリン酸を、結晶の沈着の程度を測定することです。さまざまなバリエーションには、流量、圧力、コンプライアンス、抵抗など、これらのモデルの信頼性を高めるための他のパラメータを含めることができます。すべてのシステムには、動作条件と再現度に関して認識する必要があるさまざまな制限があります。このようなモデルを使用する理由は、動物モデルと比較して、より制御可能で独立したパラメータを提供しながら、 in vivo動物テストを部分的に置き換えることです。

これらのモデルの主な用途は、血液と直接接触する人工器官の石灰化の可能性を研究することです。このカテゴリには、動物組織人工器官 (異種生体人工器官) などの例があります。異種心臓弁は、主に組織の疲労と石灰沈着により耐久性が限られているため、この研究分野では特に重要です (大動脈弁置換術を参照)。

医療用インプラントの開発では、医療機器または組織の石灰化の可能性を評価するために、in vitro石灰化モデルが使用されてきました。これらは、組織培養および増殖のための組織工学の分野で使用されているバイオリアクターのサブファミリーと考えることができます。これらの石灰化バイオリアクターは、カルシウム沈着に有利な病理学的環境を生成することを目的として、組織が体内で遭遇する機械化学的環境を模倣して維持するように設計されています。バイオリアクターで使用される石灰化溶液の培地流量、pH、温度、過飽和度などのパラメータが維持され、厳密に監視されます。これらのパラメータを監視することで、医療機器または組織の石灰化の可能性に関する情報を得ることができます。in vitro石灰化モデルは、生理学的条件の表現レベルに応じて、静的培養、一定過飽和、動的モデルに分類できます。

石灰化の最も単純なin vitroモデルは静的培養法です。この方法では、カルシウムやリン酸など血漿中に含まれるさまざまなイオンを豊富に含む細胞培養培地を使用して、細胞に石灰化効果をもたらします。 ^[1]生理学的温度とpHをシミュレートするこのモデルは、生体組織の研究に使用されてきました。ただし、大きな欠点は、人体内で発生するカルシウムとリン酸のレベルに関する規制がないことです（代謝、ミネラルと補因子を参照）。

「一定過飽和法」は「一定組成法」とも呼ばれ、^{[3] は、}評価対象の組織にアパタイト構造を形成するために沈着したイオンの消費と連続的な置換に基づいています。このモデルの戦略は、カルシウムとリン酸の濃度が高い溶液で体内の化学環境を再現することです。このモデルには、バイオリアクター容器、制御メカニズム、および石灰化プロセス中に沈着したイオンを置換するビュレットのセットが組み込まれています。反応の速度論は、加水分解による酸性リン酸の脱プロトン化に比例する pH の測定によって監視されます。^[4]

pH の変化により、システム内に滴定剤が追加され、組織に沈着したカルシウムとリン酸の量が補充され、同時に溶液のイオン強度が一定に保たれます。通常、0.15M の生理学的レベルに近い値に保たれます。pH を維持するために追加される滴定剤の量は、結晶化部位の量と溶液の過飽和度に比例します。滴定剤の添加速度によって、組織に沈着する結晶の量が決まります。

このモデルは組織に流れや機械的刺激を与えません。流れと機械的刺激の両方がカルシウム沈着の経路と場所に影響を与えます。^{[5] [6]}

動的石灰化モデルは、模擬循環を使用して石灰化の化学的条件を提供し、同時に構造体に機械的刺激を与えます。この刺激は、生体内で発生する機械的環境を模倣します。これらのモデルは、一定過飽和の原理と、人間の心臓血管系の特徴である脈動流を組み合わせることができます。このようなモデルで使用される石灰化溶液は、一定過飽和リアクターで使用されるものと似ています。

動的石灰化モデルの概念は、特に心臓弁の場合、機械的ストレスが組織の石灰化に影響を与えることが認識された後に初めて導入されました。動的石灰化システムは、生体内で組織が受けるストレスと緊張を再現し、石灰化を促進する環境と組み合わせることを目的としています。

これらのシステムには、シミュレーション条件を綿密に監視するための流量計、圧力変換器、温度センサーが組み込まれています。これらのモデルでは、石灰化の速度論は静的システムの場合と同じですが、機械的刺激の導入により、沈着の場所と範囲が影響を受ける可能性があります。^[6]

動的モデルは、システム内の流れを提供する手段と動的刺激率の点で異なります。加速周波数は、より長い生体内持続時間をシミュレートする目的で採用されています。加速モデルは長期的な石灰化予測を提供できますが、機械的ストレスと流れストレスは生理学的な範囲外である可能性があることに留意する必要があります。^[9]

石灰化実験のゴールドスタンダードは生体内モデルです。しかし、倫理的に議論の余地があり、評価対象のパラメータを制御および監視することが困難です。さらに、生体内実験のコストは、生体外モデルよりもはるかに高くなります。

いくつかのモデルは、ある程度の再現性をもって生体内の状況をシミュレートできます。静的培養は生体組織の研究に非常に役立ちますが、人体のようにカルシウムとリン酸のレベルを一定に保つのには適していません。一定過飽和システムはこの要件を満たしますが、生体組織には適していません。最後に、動的モデルは他のモデルにはない機械的刺激を追加します。動的モデルは、テスト対象のデバイスまたは組織に生理的または生理的外の刺激を加えることができます (加速システムの場合) が、一定過飽和バイオリアクターと同じ欠点があります。