皮膚光老化に対する模倣海洋接着タンパク質ベースコーティングの効果と細胞機構

医薬品化学 高分子化学 医学検査 ナノ 化学 生命科学 細胞生物学 材料化学 医学
模倣 海洋接着タンパク質 皮膚光老化 抗酸化 組織修復 湿潤接着 保護コーティング

皮膚光老化防止のためのバイオミメティック海洋接着タンパク質コーティングに関する研究成果

皮膚の光老化は、特に屋外で紫外線（UV）に長時間さらされる人々にとって、コラーゲンの減少、しわの増加、皮膚の弾力性喪失、構造的脆弱性などを特徴とする、現在世界が直面している主要な健康問題の1つです。これらの生理的変化は、個人の外見に影響を与えるだけでなく、関連する合併症のリスクも増加させます。しかし、日常生活で日焼け止め、局所薬物（例：トレチノイン）や抗酸化剤が使用されているにもかかわらず、依然として真に効果的で持続的な皮膚光老化の予防策は存在しません。

これらの課題に対処するため、本論文の研究では、新たなバイオミメティック海洋接着タンパク質コーティングに焦点を当て、皮膚光老化の予防および治療におけるその可能性について探討しました。この研究は、ボ・シュエ（Bo Xue）氏率いる研究チームにより行われ、中国海洋大学（Ocean University of China）のCollege of Marine Life Scienceで実施されました。本論文は2025年に『Advanced Healthcare Materials』誌に掲載され、DOIは10.1002/adhm.202402019です。

背景と研究の意義

海洋生物学、特に海洋接着タンパク質の研究は、生体医療材料分野で長年にわたり重要な意義を持っています。現在、海洋由来のタンパク質は、湿潤接着特性（wet adhesion）や生物機能活性、例えば抗酸化特性や細胞外マトリックス（ECM, extracellular matrix）に類似した構造を模倣する能力を有することで知られています。これらの特性により、創傷修復や組織再生への応用に非常に適しています。しかし、水環境でのコーティングの長期間の接着性および有効機能性を実現することは、依然として課題です。

本研究では、ホタテ貝の足糸由来構造タンパク質（scallop byssal protein）から得られた天然再組換えタンパク質SBP9𝚫を使用して、革新的なコーティングを開発しました。この研究の主な目的は、このコーティングが紫外線（UVB）による皮膚光老化における修復作用メカニズム、細胞挙動への影響、および全体的な治療の可能性を探ることです。

研究の流れ概略

研究は次の主要なステップで構成されました。

1. コーティングの作製と特性評価

SBP9𝚫再組換えタンパク質は、大腸菌（Escherichia coli）を用いた遺伝子クローニング及び発現を通じて生成され、その分子量は約19 kDaです。研究では、高速相分離法を採用し、2価のカルシウム（Ca2+）イオンを交差結合に使用して、SBP9𝚫タンパク質をガラス基板上に均一かつ密なコーティングとして形成しました。また、クームシーブリリアントブルー染色、光学顕微鏡、原子間力顕微鏡（AFM, atomic force microscopy）を使用してコーティングの形態を評価しました。結果として、SBP9𝚫コーティングは多孔質の3次元構造を示し、粒子サイズは約20nm、厚さは約2μmであることが確認されました。この構造は、細胞接着および拡張の関連分野で大きな可能性を示しています。

2. コーティングの生体適合性試験

優れた生体適合性は、組織修復コーティングの基本的な要件です。体外実験では、表皮細胞（HaCaT）、線維芽細胞（L929）、血管内皮細胞（HUVEC）を用い、ライブ/デッド染色（live/dead staining）およびMTT細胞活性測定を通じてコーティングの安全性を評価しました。実験の結果、72時間の培養後に顕著な細胞アポトーシスや細胞毒性は見られず、さらにL929細胞の生存率および活性がSBP9𝚫コーティングの存在下で顕著に増加しました。マウスを用いた体内実験でも、皮膚創傷にコーティングを適用してから14日後には顕著な炎症性細胞浸潤が見られず、60日以内に主要臓器に悪影響は観察されませんでした。

3. SBP9𝚫コーティングが細胞行動を促進

コーティングは、皮膚組織修復に関連する細胞の接着、拡張、増殖、移動を著しく促進しました。体外実験では、SBP9𝚫コーティング修飾表面が、対照群やポリ-L-リジン（poly-L-lysine）修飾群と比較して、HaCaT細胞の接着率および拡張面積を効果的に向上させることが確認されました。一方、定量PCR（qRT-PCR）による測定では、接着関連遺伝子であるインテグリンβ1（Integrin β1）およびビンクリン（Vinculin）の発現レベルが著しく増加しました。さらに、SBP9𝚫コーティングによりKi67陽性細胞の割合が増加し、成長因子（EGF、VEGF、TGF-β1）のmRNA発現量の増加も確認され、細胞増殖を促進する効果が示されました。

4. コーティングの抗酸化及び抗アポトーシス効果

ライブ細胞蛍光染色および活性酸素種（ROS）の活性測定を通じて、SBP9𝚫コーティングが過酸化水素（H2O2）の作用による酸化ストレス環境下で細胞内ROSの蓄積を著しく低減させることを示しました。さらに、SBP9𝚫コーティングは、アポトーシス関連タンパク質であるカスパーゼ3（Caspase-3）およびカスパーゼ9（Caspase-9）のmRNAレベルを低減することが確認されました。加えて、コーティングはH2O2による細胞損傷において、細胞内抗酸化物質であるグルタチオン（GSH）とスーパーオキシドジスムターゼ（SOD）の含有量を増加させ、マロンジアルデヒド（MDA）の生成を減少させることも明らかとなりました。

5. 体内UV実験

SBP9𝚫コーティングの臨床応用ポテンシャルを評価するため、研究はマウスを用いたUVB誘起の皮膚光老化モデルを構築しました。実験結果は、コーティングがUVB照射によって引き起こされた酸化損傷から皮膚を効果的に保護する能力を示しました。具体的には、表皮の肥厚やコラーゲン線維の喪失を軽減し、正常なコラーゲン分布を回復させました。さらに、SBP9𝚫コーティング施用によりマウス皮膚中のSODおよびGSHレベルが著しく向上し、MDA生成が低下しました。これにより、コーティングの抗酸化および組織保護の効果がさらに実証されました。

研究の結論と価値

本研究は、SBP9𝚫コーティングがバイオミメティック材料として以下の複数の優れた特性を持つことを明らかにしました：

  1. 細胞行動の促進：SBP9𝚫コーティングは、細胞の接着、拡張、増殖、移動能力を向上させ、修復関連細胞に適した微小環境を提供します。
  2. 抗酸化および抗アポトーシス効果：コーティングはROSの除去を効果的に行い、酸化ストレスによる細胞アポトーシスを低減し、組織微小環境におけるECMタンパク質を保護します。
  3. 皮膚光老化予防の実用性：SBP9𝚫コーティングは、長期間のUVB曝露環境下での保護性能を示し、「湿潤接着」と「再生可能」な皮膚保護ソリューションとして注目されます。

研究のハイライト

  1. 皮膚光老化への新しいコーティング設計としてのイノベーション。
  2. 海洋タンパク質の優れた特性と多機能自己組織化特性の組み合わせによる解決策提案。
  3. 無毒無害で生体適合性が良好で幅広い応用の可能性。

SBP9𝚫コーティングの開発は、皮膚光老化の課題や今後の幅広い組織再生分野に対する重要な探索方向を提供し、その潜在的な商業的および医療的応用価値は計り知れません。