近赤外線照射炭素ナノチューブによって引き起こされる光熱ストレスは、ラットのカルバリアの欠陥での骨沈着を促進します

骨再生治癒プロセスはしばしば延長され、特に高齢患者や病気の患者で感染のリスクが高くなります。治癒プロセス時間の短縮には、通常、機械的ストレス装置、化学的手がかり、またはレーザー/熱療法が必要です。これらのアプローチは、骨治癒時間の短縮に広く使用されていますが、熱ストレス誘発性骨再生に関与する正確なメカニズムは不明のままです。この研究では、in vivoおよびin vitroでの骨形成に対するラットのカルバリアル欠陥に対する最適な高温療法の効果を調査しました。光熱ストレス刺激は、カーボンナノチューブと近赤外光のある照射器を含むアルギン酸ゲルで構成される新しい光熱装置を使用して実行されました。近赤外誘発カーボンナノチューブによって引き起こされた光熱ストレス（毎日42℃で15分）は、非サーマルストレスコントロールと比較して、臨界サイズのカルバリアル欠陥の骨沈着を促進しました。私たちは最近、私たちの新規DNA/プロタミン複合体の足場がカルバリアの欠陥に骨再生を誘導することを報告しました。この研究では、光熱ストレスは、DNA/プロタミン染色カルバリアの欠陥における骨沈着を上方制御しました。さらに、光熱ストレスは、アルカリホスファターゼ、オステリックス、オステオカルシンを含む、時間依存的に骨形成関連遺伝子の発現を有意に誘導しました。これは、DNA/プロタミン細胞で観察され、DNA/プロタミン足場に生成された組織から拡大し、ヒトMG63骨芽細胞で拡大しました。要約すると、この新しいカーボンナノチューブベースの光熱ストレスアプローチアプローチ前骨芽細胞における骨形成関連遺伝子の発現を上方制御し、骨修復を強化するためのミネラル沈着の促進をもたらしました。

The bone regenerative healing process is often prolonged, with a high risk of infection particularly in elderly and diseased patients. A reduction in healing process time usually requires mechanical stress devices, chemical cues, or laser/thermal therapies. Although these approaches have been used extensively for the reduction of bone healing time, the exact mechanisms involved in thermal stress-induced bone regeneration remain unclear. In this study, we investigated the effect of optimal hyperthermia on rat calvarial defects in vivo and on osteogenesis in vitro. Photothermal stress stimulation was carried out using a new photothermal device, composed of an alginate gel including in carbon nanotubes and their irradiator with near-infrared light. Photothermal stress (15 min at 42℃, every day), trigged by near-infrared-induced carbon nanotube, promoted bone deposition in critical-sized calvarial defects compared with nonthermal stress controls. We recently reported that our novel DNA/protamine complex scaffold induces bone regeneration in calvarial defects. In this study, photothermal stress upregulated bone deposition in DNA/protamine-engrafted calvarial defects. Furthermore, photothermal stress significantly induced expression of osteogenic related genes in a time-dependent manner, including alkaline phosphatase, osterix, and osteocalcin. This was observed in DNA/protamine cells, which were expanded from regenerated tissue engrafted into the DNA/protamine scaffold, as well as in human MG63 preosteoblasts. In summary, this novel carbon nanotube-based photothermal stress approach upregulated expression of osteogenic-related genes in preosteoblasts, resulting in promotion of mineral deposition for enhanced bone repair.