基材の構造力学的性質による細胞機能の制御

Extracellular environments direct cell fate specification

　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。