マクロファージM1分極におけるインプラント表面ナノ構造のユニークな制御

The unique regulation of implant surface nanostructure on macrophages M1 polarization.

• Yide He
• Jing Luo
• Yinlong Zhang
• Zhe Li
• Fanghao Chen
• Wen Song
• Yumei Zhang

抄録

炎症反応は、インプラント手術後の最初の必然的なイベントであり、マクロファージのM1分極が媒介されている。数多くの出版物は、インプラント表面ナノ構造の物理的特性がマクロファージＭ１分極状態に影響を与え得ることを示しているが、その調節機構はまだ解明されていない。細胞表面の受容体に直接結合したり、細胞質に輸送されたりする従来の生化学的因子とは異なり、インプラント表面ナノ構造の物理的情報は、細胞との直接接触によってのみ感知することができる。そのため、インプラント表面のナノ構造には独自の制御機構があるのではないかと推測されている。本研究では、チタニアナノチューブでコーティングしたチタンインプラント表面（直径約100nm、NT-100）と標準的なIFN-γ/LPS刺激がマクロファージのM1分極に及ぼす影響を比較した。その結果、NT-100表面刺激とIFN-γ/LPS刺激のいずれも、CD86, iNOS, CCR7, IL-1βなどのM1特異的分子を有意に増加させ、CD206, Arg1, IL-10などのM2特異的分子には影響を与えずに、マクロファージのM1分極を誘導することがわかった。しかし、IFN-γ/LPS によるマクロファージの M1 分極は RBP-J-IRF8 経路を介して誘導されるが、NT-100 表面は FAK-MAPKs 経路、特に JNK と ERK1/2 シグナルに関連していることが明らかになった。本研究では、インプラント表面のナノ構造が、従来の生化学的因子とは異なる経路を介して宿主の炎症反応を誘発する可能性があることを明らかにした。この発見は、組織統合に役立つチタンインプラント改造の理論的基礎を提供するものである。

The inflammatory response is the first and inevitable event after implant surgery in vivo, in which the macrophages M1 polarization is mediated. Numerous publications indicate that the physical properties of implant surface nanostructure can influence macrophages M1 polarization status, whereas the regulation mechanisms have not been elucidated yet. Unlike the conventional biochemical factors that can directly bind to the cellular surface receptors or be transported into cytoplasm, the physical information of implant surface nanostructure can only be sensed by direct contact with cells. Therefore, we infer that the implant surface nanostructure may have unique regulation mechanisms. In this study, we compared the influences of the titanium implant surface coated with titania nanotubes on the surface (∼100 nm diameter, NT-100) and the standard IFN-γ/LPS stimulation on the macrophages M1 polarization. Both the NT-100 surface and IFN-γ/LPS stimulation could induce macrophages M1 polarization, indicated by significant upregulation of M1-specific molecules including CD86, iNOS, CCR7 and IL-1β, without affecting the M2-specific molecules including CD206, Arg1 and IL-10. However, we found that the IFN-γ/LPS induced macrophages M1 polarization was mediated by RBP-J-IRF8 pathway, whereas the NT-100 surface was more related to FAK-MAPKs pathway, particularly the JNK and ERK1/2 signaling. Our study demonstrated that the implant surface nanostructure has great potential to trigger the host inflammatory response through distinct pathways from conventional biochemical factors, which may remind us to re-consider the unique regulation mechanisms of nano surface on cell functions. Our finding offers a theoretical basis for titanium implant modification to benefit tissue integration.

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