生体の科学64巻3号

2013年06月発行

特集 細胞接着の制御

基材の構造力学的性質による細胞機能の制御

著者： 荏原充宏¹ 宇都甲一郎¹ 青柳隆夫¹

所属機関： ¹独立行政法人 物質・材料研究機構 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点

ページ範囲：P.194 - P.198

　一般に，細胞機能の制御を司る主要3大因子として，① 生化学的要因，② 物理化学的要因，③ 構造力学的要因が知られており（図1），これらの要因が時間的・空間的に複雑にかかわり合うことで生命システムの設計・制御が成り立っている。生化学的要因としては，ホルモン，サイトカイン，ペプチド，成長因子，ステロイドなどの液性因子や細胞外マトリックスや細胞-細胞間ジャンクションなどが挙げられる。例えばヒトおよびマウスの胚性幹（embryonic stem；ES）細胞は，デキサメタゾン，レチノイン酸，ジメチルスルフォキシドなどの添加によってニューロン，β細胞，脂肪細胞，肝細胞，骨細胞様へと分化することが知られている^1）。これらの作用は濃度勾配やリガンド・レセプターの結合数によって規制されるため，距離と共に指数関数的に減少していく。

　物理化学的要因としては，温度，pH，荷電，電場，磁場，O₂およびCO₂濃度，表面エネルギーなどが挙げられる。例えば酸素濃度を低下させることで間葉系幹細胞（MSC）の未分化状態を維持し増殖を促進できることが報告されている^2）。また，MSCの温度上昇に伴うアポトーシス活性の減少や，心筋細胞の電気刺激に応答した収縮などが知られている^3）。温度や電場，磁場などの刺激に関しては，時間・空間的に自在に制御することは可能ではあるが，特別な装置のセットアップが必要である。これらの要因に加えて，近年幹細胞nicheの研究などから，弾性率，マイクロ・ナノトポグラフィー，張力，シェアストレス，ポアサイズなどの構造力学的要因が細胞の増殖・分化，細胞周期，細胞運動などに極めて重要な役割を果たしていることが明らかとなってきた^4）。本稿では，これらの構造力学的要因を時空間的に制御可能なスマートマテリアルの設計と細胞機能制御について概説する。

参考文献

27：208-219, 2006

207：331-339, 2006

101：18129-18134, 2004

264：696-698, 1994

102：4300-4305, 2005

166：877-887, 2004

121：3794-3802, 2008

16：2133-2137, 2004

126：677-689, 2006

124：9-18, 2011

116：1881-1892, 2003

27：3945-3954, 2006

197：351-360, 2012

11：1856-1862, 2010

276：1425-1428, 1997

264：696-698, 1994

27：6155-6162, 2011

6：297-305, 1987

411：59-62, 2001

6：843-848, 2006

51：10537-10541, 2012

32：87-96, 1994

110：408-413, 2006

13：064207, 2012

9：3074-3080, 2013

24：273-278, 2012

18：1837-1848, 2012

11：571-576, 1990

45：355-362, 1999

5：e63-73, 2011

5：505-510, 2004

10：1125-1135, 2004

20：3034-3038, 2008

29：3650-3655, 2008

13：064206, 2012