自己組織化ナノ構造体ベースのテトラフェニルエチレンジペプチドの構築：細胞接着と増殖のためのバイオミメティックヒドロゲルとしての超分子ナノベルト

Construction of self-assembled nanostructure-based tetraphenylethylene dipeptides: supramolecular nanobelts as biomimetic hydrogels for cell adhesion and proliferation.

• Satish Kumar Talloj
• Mohiuddin Mohammed
• Hsin-Chieh Lin

抄録

凝集誘起発光（AIE）特性を有する超分子蛍光体は、バイオやケモセンサーの蛍光プローブとして有望な応用が期待されている。本研究では、効率的なAIE特性を持つ汎用性の高い低分子量テトラフェニルエチレンジペプチドヒドロゲル化剤(TPE-YY)を開発し、3.7から10.2までの広いpH範囲でヒドロゲルを形成することができた。このヒドロゲルの自己組織化は完全にpHに依存しており、高pHから低pHへの構造変化が顕著である。比較的高いpH値（10.2）では、ナノファイバーが絡み合ったネットワークを持つ弱い透明なヒドロゲルが得られたが、希薄な塩酸で中和（pH7.2）すると、ねじれたナノベルトを持つ安定な半透明ゲルが形成された。ハイドロゲルのpHを5.7以下に下げると、ナノベルトの増粘に伴い、濁った粘性のあるゲルと沈殿が生じた。驚くべきことに、グルコノ-δ-ラクトンをトリガーとしたゲルから得られたヒドロゲルは、pHに依存しないナノファイバーのみを示した。このゲルの性質と、異なるpH値におけるナノ構造について、振動レオロジー、電子顕微鏡、および様々な分光学的手法{1HNMR, 2D-NMR, フーリエ変換赤外(FTIR), 円偏光二色性(CD)}を用いて徹底的に調べ、議論した。興味深いことに、自己組織化ハイドロゲルは、3A6（ヒトMSC）とL929（マウス線維芽細胞）の2つの異なる細胞株で、ハイドロゲルの浸出性を利用して95%以上の優れた生体適合性を示した。さらに、中性pHで形成された自己組織化ナノベルトは、3A6細胞では優れた細胞接着性と増殖性を示したが、ナノファイバーでは細胞接着性と増殖性が劣っていた。以上のことから、生理的pHで選択的に細胞接着・増殖する自己組織化ナノベルトや超分子ハイドロゲルを形成するための化学設計の重要性が示され、組織工学や再生医療への応用が期待されます。

Supramolecular fluorescent materials with aggregation-induced emission (AIE) characteristics have promising applications as fluorescent probes for bio and chemosensors. In this study, a versatile low molecular weight tetraphenylethylene dipeptide hydrogelator (TPE-YY) with efficient AIE characteristics was developed, which was able to form hydrogels in a broad pH range from 3.7 to 10.2. The self-assembly of this hydrogel is completely pH-dependent, with significant structural transitions from high to low pH. At a relatively high pH value (10.2), a weak transparent hydrogel with an entangled network of nanofibers was obtained, while upon neutralization (pH 7.2) with dilute HCl, a stable semi-transparent gel with twisted nanobelts was formed. When the pH of the hydrogel was reduced to below 5.7, a turbid viscous gel and precipitation appeared with the thickening of the nanobelts. Surprisingly, the hydrogel resulting from the glucono-δ-lactone triggered gel showed only nanofibers independent of pH. The nature of the hydrogels and the nanostructures at different pH values were thoroughly examined and discussed via oscillatory rheology, electron microscopy and various spectroscopic techniques {1HNMR, 2D-NMR, Fourier transform infrared (FTIR) and Circular dichroism (CD)}. Interestingly, the self-assembled hydrogel exhibited excellent biocompatibility over 95% using hydrogel leachables on two different cell lines, 3A6 (human MSCs) and L929 (mouse fibroblast cells). Moreover, the self-assembled nanobelts formed at neutral pH showed excellent cell adhesion and proliferation of 3A6 cells, whereas the nanofibers showed poor cell adhesion and proliferation. Overall, we demonstrate the importance of chemical design for the formation of self-assembled nanobelts and supramolecular hydrogels at physiological pH with selective cell adhesion and proliferation, presenting a promising applications in tissue engineering and regenerative medicine.