機能化グラフェンナノ粒子によるヒト間葉系幹細胞の細胞外マトリックス蛋白質の発現を誘導し、骨形成を促進する

Functionalized Graphene Nanoparticles Induce Human Mesenchymal Stem Cells to Express Distinct Extracellular Matrix Proteins Mediating Osteogenesis.

• Steven D Newby
• Tom Masi
• Christopher D Griffin
• William J King
• Anna Chipman
• Stacy Stephenson
• David E Anderson
• Alexandru S Biris
• Shawn E Bourdo
• Madhu Dhar

抄録

目的:

間葉系幹細胞（MSC）が分泌する細胞外マトリックス（ECM）の迷路状ネットワークは、細胞の接着、増殖、生存、分化を促進する微小環境を提供している。グラフェンをベースとしたナノ材料は、組織特異的なECMを模倣する可能性があることが、骨組織工学的足場の設計において認識されてきた。本研究では、機能性グラフェンナノ粒子の存在下で、ヒト脂肪由来の成体幹細胞が付着し、骨形成分化を行った際の特異的な ECM タンパク質の発現を調べた。

Purpose: The extracellular matrix (ECM) labyrinthine network secreted by mesenchymal stem cells (MSCs) provides a microenvironment that enhances cell adherence, proliferation, viability, and differentiation. The potential of graphene-based nanomaterials to mimic a tissue-specific ECM has been recognized in designing bone tissue engineering scaffolds. In this study, we investigated the expression of specific ECM proteins when human fat-derived adult MSCs adhered and underwent osteogenic differentiation in the presence of functionalized graphene nanoparticles.

方法:

酸素含有量6-10%のグラフェンナノ粒子を調製し、XPS, FTIR, AFM及びラマン分光法で特徴付けを行った。グラフェンナノ粒子上のヒト脂肪由来ＭＳＣの生存性と増殖を評価するために、カルセイン-ＡＭ染色とクリスタルバイオレット染色を行った。アリザリン赤染色および定量は、骨形成分化に対するグラフェンナノ粒子の効果を決定するために使用された。最後に、免疫蛍光法を用いて、細胞接着と骨形成分化に伴うECMタンパク質の発現を調べた。

Methods: Graphene nanoparticles with 6-10% oxygen content were prepared and characterized by XPS, FTIR, AFM and Raman spectroscopy. Calcein-am and crystal violet staining were performed to evaluate viability and proliferation of human fat-derived MSCs on graphene nanoparticles. Alizarin red staining and quantitation were used to determine the effect of graphene nanoparticles on osteogenic differentiation. Finally, immunofluorescence assays were used to investigate the expression of ECM proteins during cell adhesion and osteogenic differentiation.

結果:

我々のデータによると、グラフェンの存在下では、MSCは特異的なインテグリンヘテロダイマーを発現し、対応する骨特異的ECMタンパク質（主にフィブロネクチン、コラーゲンI、ビトロネクチン）のパターンが異なることが示された。さらに、MSCは化学的誘導なしに自然発生的に骨形成分化を行うことから、グラフェンナノ粒子の物理化学的特性が骨特異的ECMの発現の引き金となる可能性が示唆された。

Results: Our data show that in the presence of graphene, MSCs express specific integrin heterodimers and exhibit a distinct pattern of the corresponding bone-specific ECM proteins, primarily fibronectin, collagen I and vitronectin. Furthermore, MSCs undergo osteogenic differentiation spontaneously without any chemical induction, suggesting that the physicochemical properties of graphene nanoparticles might trigger the expression of bone-specific ECM.

結論:

このような細胞とグラフェンの相互作用を理解することで、MSCの骨形成ニッチが形成されることが明らかになり、グラフェンナノ粒子の骨修復・再生への応用が大きく進展することが期待されています。

Conclusion: Understanding the cell-graphene interactions resulting in an osteogenic niche for MSCs will significantly improve the application of graphene nanoparticles in bone repair and regeneration.

© 2020 Newby et al.