両親媒性生体高分子はどのようにして血液をゲル化させるのか？光学顕微鏡を用いた研究

How Do Amphiphilic Biopolymers Gel Blood? An Investigation Using Optical Microscopy.

• Ian C MacIntire
• Matthew B Dowling
• Srinivasa R Raghavan

抄録

疎水性修飾キトサン（hmC）のような両親媒性の生体高分子は、液体の血液を弾力性のあるゲルに変換することが示されている。この興味深い性質により、hmCは重度の出血の治療に止血剤として有用である可能性がある。hmCによる血液ゲル化のメカニズムは、ポリマー-細胞の自己組織化、すなわち、血球の脂質二重膜にポリマーから疎水性側鎖を挿入し、それによってhmCによって架橋された細胞のネットワークを作成することが関与していると考えられている。ここでは、我々は、光学顕微鏡を用いてその場で血球とhmCの希薄な混合物を研究することによって、上記のメカニズムをプローブします。その結果、hmC上の疎水性側鎖の存在が、血球の有意なクラスタリングを誘導することを示した。クラスター化の程度は、画像から最大の10個のクラスターが占める面積で定量化した。疎水性側鎖の割合が増えるにつれてクラスタリングは増加します。逆に、疎水性を欠いた親キトサンの場合、クラスタリングは無視できる程度です。さらに、疎水性側鎖が長いほど、クラスタリングは大きくなる（すなわち、C > C > C > C > C）。クラスタリングは、低いhmC濃度では無視できるが、ある閾値以上では実質的になる。最後に、hmCに起因するクラスタリングは、その結合ポケット内の疎水化物を捕捉することが知られている超分子α-シクロデキストリンを添加することによって反転させることができる。全体的に、本研究の結果は、いくつかの変更を加えたとはいえ、以前のメカニズムと大まかに一致している。

Amphiphilic biopolymers such as hydrophobically modified chitosan (hmC) have been shown to convert liquid blood into elastic gels. This interesting property could make hmC useful as a hemostatic agent in treating severe bleeding. The mechanism for blood gelling by hmC is believed to involve polymer-cell self-assembly, i.e., insertion of hydrophobic side chains from the polymer into the lipid bilayers of blood cells, thereby creating a network of cells bridged by hmC. Here, we probe the above mechanism by studying dilute mixtures of blood cells and hmC in situ using optical microscopy. Our results show that the presence of hydrophobic side chains on hmC induces significant clustering of blood cells. The extent of clustering is quantified from the images in terms of the area occupied by the 10 largest clusters. Clustering increases as the fraction of hydrophobic side chains increases; conversely, clustering is negligible in the case of the parent chitosan that lacks hydrophobes. Moreover, the longer the hydrophobic side chains, the greater the clustering (i.e., C > C > C > C). Clustering is negligible at low hmC concentrations but becomes substantial above a certain threshold. Finally, clustering due to hmC can be reversed by adding the supramolecule α-cyclodextrin, which is known to capture hydrophobes in its binding pocket. Overall, the results from this work are broadly consistent with the earlier mechanism, albeit with a few modifications.