2018 Fiscal Year Annual Research Report
Biofunctional design of nanocellulose by physicochemical biomimetics of extracellular matrix
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17H01482
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
北岡 卓也 九州大学, 農学研究院, 教授 (90304766)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
一瀬 博文 九州大学, 農学研究院, 准教授 (00432948)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 糖鎖 / ナノファイバー / バイオインターフェース / 細胞・組織 / 細胞培養 / シグナル伝達 / バイオマテリアル / ナノマテリアル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
林産系バイオマテリアル研究の新機軸を打ち出すべく、樹木ナノセルロースのナノ形状やナノ構造界面を活かした細胞外マトリックス（ECM）の機能模倣・新機能創発について検討を行っており、二年目はナノセルロース結晶界面のカルボキシ基密度を変化させた基板を用いて、（1）マウス由来筋芽細胞（C2C12）およびヒト肝ガン細胞（HepG2）の培養を試みた。さらに、（2）セルロースの結晶構造や繊維長の異なるナノセルロース基板上でNIH/3T3細胞の培養を行い、以下の成果を得た。
（1）C2C12細胞を様々なカルボキシ基密度（0.0-1.6 mmol/g-cellulose）のナノセルロース基板上で培養したところ、低密度および高密度のカルボキシ基含有量ではスフェロイドを形成したが、中程度のカルボキシ基密度では細胞が良好に接着・伸展するユニークな挙動の違いが観察され、前年度に行ったNIH/3T3細胞と同様の傾向が見られた。しかし、HepG2細胞ではどのカルボキシ基密度においても細胞が接着・伸展せずスフェロイドを形成した。これまでの結果から、線維芽細胞様の細胞が本基板に対して高い接着能を有する可能性が示唆された。
（2）マーセル化処理によりセルロースの結晶構造を変化させた基板を用いてNIH/3T3細胞を培養したところ、マーセル化前では良好に接着していたカルボキシ基密度においても細胞が接着しなくなり、スフェロイドを形成した。本結果より、セルロース結晶界面のカルボキシ基密度に加えて、結晶構造も細胞接着に影響を与える可能性が示唆された。さらに、繊維長の違いによっても細胞の進展・増殖の速度に違いが見られた。
今後は、各種培養細胞の遺伝子・タンパク質レベルでの発現挙動解析など、生物機能への影響を詳細に検討することで、樹木ナノセルロースを使って初めて実現可能な細胞培養基材の開発コンセプトの確立を目指す。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では、ナノセルロースの「しなやかな硬さを持つナノファイバー形状（物理的特性）」と「制御可能な糖鎖界面（化学的特性）」の両面からECM機能を模倣する独自戦略で研究を行っており、初年度に見出したナノセルロース界面のカルボキシ化による細胞接着促進に加え、本年度はカルボキシ基密度だけでなく、セルロースの結晶構造や繊維長によっても接着挙動が変化することを見出した。細胞増殖や分化に影響を与える重要なファクターである培養基板の硬さの制御は実施できなかったが、基板へのタンパク質の吸着量や基板上の細胞が産生するコラーゲン量についてのデータが得られつつある。今後、これらの培養細胞の遺伝子やタンパク質の発現挙動解析などを進めることで、界面ナノ構造と細胞の増殖・形態変化の相関性について詳細に研究する。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は、細胞とECMとの直接的な相互作用によって生じる「細胞増殖・移動・分化」に関連する遺伝子やタンパク質の発現挙動を詳細に解析することで、界面カルボキシ化ナノセルロースに対する細胞接着機構の解明を進める。また、本研究のコンセプトである「樹木ナノセルロースの界面構造が要のECMの機能模倣」の実現に向け、ナノセルロース基材の開発も引き続き実施し、カルボキシ基以外の官能基による糖鎖界面修飾や、硬さの異なるナノセルロースの調製を行い、細胞接着挙動を確認する。セルロース界面への官能基導入がスムーズにいかない場合は、生理活性糖であるキチン・キトサン由来のナノファイバーをセルロースナノファイバーと混合した基板を作製するなどで、新たな機能を付与できると考えている。また、基板に非接着の細胞では、ナノセルロース結晶界面のカルボキシ基量の違いによりスフェロイドのサイズ変化が見られたことから、スフェロイドのサイズ制御を利用した、神経幹細胞をはじめとする間葉系幹細胞の未分化培養や基板による分化誘導についても取り組むことで、本研究をさらに進展させる。
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