カーボンナノチューブで機能化した繊維状の足場上に形成された3次元スフェロイドは、薬物代謝および毒性スクリーニングのためのものである

3D spheroids generated on carbon nanotube-functionalized fibrous scaffolds for drug metabolism and toxicity screening.

• Jiaojun Wei
• Jinfu Lu
• Maohua Chen
• Songzhi Xie
• Tao Wang
• Xiaohong Li

抄録

機械的・電気的刺激は、細胞の挙動や機能に大きな影響を与えます。本研究では、ポリスチレン-コ-マレイン酸(PSMA)と多壁カーボンナノチューブ(CNT)をブレンドして電気紡糸した後、細胞接着の手がかりとしてガラクトースをグラフトすることで、一連の導電性ナノ繊維状足場を開発した。CNTとPSMAの質量比を5%まで増加させると、繊維状足場の配向性、ヤング率、導電性が増加し、平均直径、細孔径、破断時の伸びが減少することがわかった。この足場上で培養された初代肝細胞は自己組織化して三次元スフェロイド状になり、これにより肝細胞の極性が回復し、薬物代謝酵素の発現が長時間にわたって十分に行われるようになる。これらの導電性足場材の中でも、CNTを3%含有する繊維（F3）で培養した肝細胞は、モデル薬物のクリアランス率が最も高く、高い相関値を持つin vivoデータの予測が可能となりました。さらに、薬物代謝能力は15日間にわたって維持され、代謝酵素の誘導剤や阻害剤に対してより感度が高く、薬物-薬物相互作用研究への応用が可能であることが示された。このように、本培養系は、医薬品開発の初期段階における代謝や毒性のハイスループットスクリーニングのための信頼性の高いin vitroモデルとして実証されています。

The mechanical and electrical stimuli have a profound effect on the cellular behavior and function. In this study, a series of conductive nanofibrous scaffolds are developed by blend electrospinning of poly(styrene-co-maleic acid) (PSMA) and multiwalled-carbon nanotubes (CNTs), followed by grafting galactose as cell adhesion cues. When the mass ratios of CNTs to PSMA increase up to 5%, the alignment, Young's modulus and conductivity of fibrous scaffolds increase, whereas the average diameter, pore size and elongation at break decrease. Primary hepatocytes cultured on the scaffolds are self-assembled into 3D spheroids, which restores the hepatocyte polarity and sufficient expression of drug metabolism enzymes over an extended period of time. Among these conductive scaffolds, hepatocytes cultured on fibers containing 3% of CNTs (F3) show the highest clearance rates of model drugs, offering a better prediction of the in vivo data with a high correlation value. Moreover, the drug metabolism capability is maintained over 15 days and is more sensitive towards the inducers and inhibitors of metabolizing enzymes, demonstrating the applicability for drug-drug interaction studies. Thus, this culture system has been demonstrated as a reliable in vitro model for high-throughput screening of metabolism and toxicity in the early phases of drug development.