フレッシュチタンとフィブロネクチンの相乗効果を利用した新しい細胞送達システム

A Novel Cell Delivery System Exploiting Synergy between Fresh Titanium and Fibronectin.

抄録

細胞を目的の部位に送達し保持することは、組織工学における継続的な課題である。ここでは、骨統合、再生、および組織工学のための細胞送達に適した骨芽細胞負荷チタンを作製するための新しいアプローチを紹介する。我々は、チタンの経年変化が、チタン表面へのタンパク質の吸着と細胞の担持の効率に影響するという仮説を立てた。新鮮な（新しく加工された）および1ヶ月経過した（老化した）市販グレード4のチタンディスクが調製された。新鮮なチタン表面は親水性であったが、老化した表面は疎水性であった。3時間の短時間インキュベーションで、新鮮なチタン表面の2倍量の1型コラーゲンとフィブロネクチンが、老化したチタン表面の2倍量のフィブロネクチンが吸着し、チタンの年齢に関係なく、コラーゲンよりもフィブロネクチンの方が2.5倍多く吸着した。ラット骨髄由来の骨芽細胞をタンパク質吸着チタン表面で3時間インキュベートしたところ、骨芽細胞はフィブロネクチンを吸着させた新鮮チタン上で最も効率よく担持された。新鮮なチタンとフィブロネクチンの相乗効果を利用した骨芽細胞の担持数は、タンパク質を吸着していない経年チタンに比べ9倍であった。担持された細胞は強固に接着し、機能的であることが確認された。担持された細胞の数は、タンパク質の種類に関係なく、吸着されたタンパク質の量と強い相関があり、フィブロネクチンは単純にコラーゲンよりも効率よくチタン表面に吸着された。新鮮なチタン表面の親水性が、タンパク質の吸着や細胞負荷の増加に果たす役割は不明であった。タンパク質吸着チタンの親水性は、タンパク質の量とともに増加したが、細胞負荷の主要な決定因子ではなかった。結論として、骨芽細胞の担持効率はチタンの年齢とタンパク質吸着量に依存していた。さらに、タンパク質の吸着効率はタンパク質に特異的であり、フィブロネクチンはコラーゲンよりもはるかに効率的であった。これは、チタンをビヒクルとして用いて、骨芽細胞を生体外および生体内に効果的に送達する新しい戦略である。

Delivering and retaining cells in areas of interest is an ongoing challenge in tissue engineering. Here we introduce a novel approach to fabricate osteoblast-loaded titanium suitable for cell delivery for bone integration, regeneration, and engineering. We hypothesized that titanium age influences the efficiency of protein adsorption and cell loading onto titanium surfaces. Fresh (newly machined) and 1-month-old (aged) commercial grade 4 titanium disks were prepared. Fresh titanium surfaces were hydrophilic, whereas aged surfaces were hydrophobic. Twice the amount of type 1 collagen and fibronectin adsorbed to fresh titanium surfaces than aged titanium surfaces after a short incubation period of three hours, and 2.5-times more fibronectin than collagen adsorbed regardless of titanium age. Rat bone marrow-derived osteoblasts were incubated on protein-adsorbed titanium surfaces for three hours, and osteoblast loading was most efficient on fresh titanium adsorbed with fibronectin. The number of osteoblasts loaded using this synergy between fresh titanium and fibronectin was nine times greater than that on aged titanium with no protein adsorption. The loaded cells were confirmed to be firmly attached and functional. The number of loaded cells was strongly correlated with the amount of protein adsorbed regardless of the protein type, with fibronectin simply more efficiently adsorbed on titanium surfaces than collagen. The role of surface hydrophilicity of fresh titanium surfaces in increasing protein adsorption or cell loading was unclear. The hydrophilicity of protein-adsorbed titanium increased with the amount of protein but was not the primary determinant of cell loading. In conclusion, the osteoblast loading efficiency was dependent on the age of the titanium and the amount of protein adsorption. In addition, the efficiency of protein adsorption was specific to the protein, with fibronectin being much more efficient than collagen. This is a novel strategy to effectively deliver osteoblasts ex vivo and in vivo using titanium as a vehicle.