幹細胞のカプセル化と分化を目的としたアフィニティベースの物理的ヒドロゲルの性能は、自然な多量化が支配している

Natural Multimerization Rules the Performance of Affinity-Based Physical Hydrogels for Stem Cell Encapsulation and Differentiation.

• Cláudia S M Fernandes
• André L Rodrigues
• Vitor D Alves
• Tiago G Fernandes
• Ana Sofia Pina
• Ana Cecília A Roque

抄録

組織工学や幹細胞研究では、ハイドロゲル内での細胞カプセル化は、細胞の増殖と分化を促進するため、大きな利益をもたらします。穏やかな細胞カプセル化のための魅力的なソリューションであるアフィニティトリガー型ハイドロゲルは、リガンドとターゲット間の選択的な相互作用と、これらの2つの成分の多価の提示に依存しています。これらのヒドロゲルは、動的で調整可能な高機能材料を生成するための汎用的なオプションであるが、親和性と多価性に基づいてヒドロゲル特性を設計することは、依然として挑戦的であり、研究されていない。ここでは、最も高い親和性定数が報告されているアビジン-ビオチン親和性ペアを用いて、この課題に取り組んでいる。親和性ヒドロゲル成分間の結合は、選択された多価表示によって影響を受けることが実証されている。さらに、堅牢な多成分合成タンパク質ヒドロゲルを得るためには、相互作用の自然な多価性に従わなければならない。浸食に対するハイドロゲルの耐性は、ハイドロゲル成分間の化学量論的な適合性に依存する。開発されたアフィニティトリガー型ハイドロゲルは生体適合性があり、誘導多能性幹細胞のカプセル化と神経細胞株への分化をサポートする。この原理は、多量体タンパク質を用いた他の親和性対への応用が可能であり、性能が制御された生体材料を得ることができる。

Tissue engineering and stem cell research greatly benefit from cell encapsulation within hydrogels as it promotes cell expansion and differentiation. Affinity-triggered hydrogels, an appealing solution for mild cell encapsulation, rely on selective interactions between the ligand and target and also on the multivalent presentation of these two components. Although these hydrogels represent a versatile option to generate dynamic, tunable, and highly functional materials, the design of hydrogel properties based on affinity and multivalency remains challenging and unstudied. Here, the avidin-biotin affinity pair, with the highest reported affinity constant, is used to address this challenge. It is demonstrated that the binding between the affinity hydrogel components is influenced by the multivalent display selected. In addition, the natural multivalency of the interaction must be obeyed to yield robust multicomponent synthetic protein hydrogels. The hydrogel's resistance to erosion depends on the right stoichiometric match between the hydrogel components. The developed affinity-triggered hydrogels are biocompatible and support encapsulation of induced pluripotent stem cells and their successful differentiation into a neural cell line. This principle can be generalized to other affinity pairs using multimeric proteins, yielding biomaterials with controlled performance.