自己組織化DNA-コラーゲン生体活性スキャフォールドが細胞取り込みと神経細胞分化を促進

学術的背景

分子生物学研究において、DNAとタンパク質の相互作用は細胞プロセスを理解する上で重要なテーマです。DNA-タンパク質相互作用の理解が深まるにつれ、これらの知識は組織工学、薬物開発、遺伝子編集などの分野で広く応用されています。特に、DNA/コラーゲン複合体は遺伝子送達研究における応用から注目を集めています。しかし、これらの複合体を生体活性スキャフォールドとして利用する可能性に関する研究は少なく、特に自己組織化DNAマクロ構造とコラーゲンの相互作用によって形成される複合体の特性は十分に研究されていません。本研究は、自己組織化DNAマクロ構造とI型コラーゲンの相互作用によって形成される生体活性スキャフォールドを探求し、細胞培養、薬物送達、組織工学における応用可能性を評価することを目的としています。

論文の出典

本論文は、Indian Institute of Technology Gandhinagarの生物科学・工学部に所属するNihal Singh、Ankur Singh、Dhiraj Bhatiaによって共同執筆されました。論文は2024年12月4日にACS Biomaterials Science & Engineering誌に掲載され、タイトルは「Self-Assembled DNA−Collagen Bioactive Scaffolds Promote Cellular Uptake and Neuronal Differentiation」です。

研究の流れ

1. 自己組織化DNAマクロ構造の合成

研究ではまず、自己組織化DNAマクロ構造（X-DNA Macrostructure, XDM）を合成しました。XDMは4本の一本鎖DNA（ssDNA）が自己組織化することで形成される分岐型の4方向接合構造です。電気泳動移動度実験（EMSA）によってXDMの形成が確認されました。

2. DNA/コラーゲンスキャフォールドの合成

研究チームは、XDMとI型コラーゲン（Collagen Type I, Coll I）を異なる質量分率（20%、50%、90%）で混合し、DNA/コラーゲン複合体スキャフォールドを調製しました。真空乾燥法を用いて混合溶液をガラスカバースリップ上に固定し、スキャフォールドを形成しました。光学顕微鏡観察により、20%および50%のXDM/Coll Iスキャフォールドが繊維状ネットワーク構造を形成することが確認されましたが、90%のXDM/Coll Iスキャフォールドでは繊維構造は形成されませんでした。

3. スキャフォールドの特性評価

原子間力顕微鏡（AFM）および走査型電子顕微鏡（SEM）を用いて、スキャフォールドの形態を詳細に評価しました。その結果、20%および50%のXDM/Coll Iスキャフォールドが絡み合った繊維ネットワークを形成し、50%のスキャフォールドではより太い繊維が観察されました。AFMにより、スキャフォールドの3次元構造と繊維の高さ分布がさらに明らかになりました。

4. 体外細胞培養

研究チームは、SUM159トリプルネガティブ乳がん細胞株をXDM/Coll Iスキャフォールド上に播種し、細胞の成長と増殖を観察しました。その結果、50%のXDM/Coll Iスキャフォールドが細胞の方向性のある成長を促進し、スキャフォールドが柔らかい基質として細胞の成長を支持し、F-アクチン（F-actin）の組織化を減少させることがわかりました。

5. 細胞取り込み実験

スキャフォールドが細胞のエンドサイトーシスに与える影響を評価するため、研究チームはFITC標識トランスフェリン（Transferrin）を用いて細胞取り込み実験を行いました。その結果、50%のXDM/Coll Iスキャフォールドが細胞のトランスフェリン取り込み能力を著しく向上させ、スキャフォールドが柔らかい基質として細胞のエンドサイトーシスを促進することが示されました。

6. 神経細胞分化実験

研究チームは、SH-SY5Y神経芽細胞腫細胞をXDM/Coll Iスキャフォールド上に播種し、成熟神経細胞への分化能力を観察しました。その結果、20%および50%のXDM/Coll IスキャフォールドがSH-SY5Y細胞の分化を著しく促進し、多数の神経突起を形成し、分化効率が対照群よりも高いことが確認されました。

主な結果

1. スキャフォールドの繊維構造：20%および50%のXDM/Coll Iスキャフォールドが絡み合った繊維ネットワークを形成し、50%のスキャフォールドではより太い繊維が観察されました。AFMおよびSEMにより、スキャフォールドの3次元構造と繊維の高さ分布がさらに明らかになりました。
2. 細胞の成長と増殖：50%のXDM/Coll Iスキャフォールドが細胞の方向性のある成長を促進し、スキャフォールドが柔らかい基質として細胞の成長を支持し、F-アクチンの組織化を減少させました。
3. 細胞取り込み能力：50%のXDM/Coll Iスキャフォールドが細胞のトランスフェリン取り込み能力を著しく向上させ、スキャフォールドが柔らかい基質として細胞のエンドサイトーシスを促進することが示されました。
4. 神経細胞分化：20%および50%のXDM/Coll IスキャフォールドがSH-SY5Y細胞の分化を著しく促進し、多数の神経突起を形成し、分化効率が対照群よりも高いことが確認されました。

結論

本研究は、自己組織化DNAマクロ構造とI型コラーゲンの相互作用によって形成される生体活性スキャフォールドを初めて報告しました。これらのスキャフォールドは独特の繊維構造を持ち、細胞の成長を支持し、細胞のエンドサイトーシスを促進し、神経細胞分化を誘導することができます。これらのスキャフォールドは、神経科学、薬物送達、組織工学、体外細胞培養などの分野で幅広い応用可能性を持っています。

研究のハイライト

1. 新しいスキャフォールド材料：本研究は初めて自己組織化DNAマクロ構造とコラーゲンを組み合わせ、独特の繊維構造を持つ生体活性スキャフォールドを形成しました。
2. 多機能応用：これらのスキャフォールドは細胞の成長を支持するだけでなく、細胞のエンドサイトーシスや神経細胞分化を促進し、幅広い応用が期待されます。
3. 柔らかい基質の効果：スキャフォールドが柔らかい基質として機能し、細胞の成長パターンやエンドサイトーシスに大きな影響を与えることが示され、組織工学や薬物送達における新たなアプローチを提供します。

その他の価値ある情報

本研究は、詳細な実験方法とデータ分析を提供し、今後の研究の参考となります。さらに、研究チームはスキャフォールドが異なる細胞タイプでの応用可能性についても探求し、今後の研究の基盤を築きました。