個々の哺乳類細胞上のレイヤーごとの静電堆積のためのシルクアイオノマーの合成と特性評価

Synthesis and Characterization of Silk Ionomers for Layer-by-Layer Electrostatic Deposition on Individual Mammalian Cells.

• Onur Hasturk
• Jugal Kishore Sahoo
• David L Kaplan

抄録

ポリマー層で個々の哺乳類細胞をナノコーティングすることは、バイオテクノロジーおよび生物医学工学の応用において、ますます関心が高まっています。負に帯電した細胞表面への高分子電解質の静電層毎層(LbL)蒸着は、生理的条件下での正味電荷を持つ合成ポリマーや天然ポリマーを用いた細胞ナノコーティングに利用されてきた。ここでは、シルクフィブロイン(SF)をポリグルタミン酸(PG)とポリリジン(PL)で修飾したシルクベースのアイオノマーを合成し、哺乳類細胞のナノコーティングに利用した。SF-PL構築物は哺乳類細胞に細胞毒性があったため、再生SF鎖のカルボキシル化とアミノ化を介したシルクアイオノマー合成のための代替的なアプローチが利用された。材料特性とインキュベーションバッファーの組成を最適化することで、シルクアイオノマーをマウス線維芽細胞とヒト間葉系幹細胞（hMSCs）の表面に静電的に組み立てることができ、細胞の生存能力を大きく損なうことなくナノスケールの多層膜を形成することができました。結果として得られたシルクベースのタンパク質ナノシェルは一過性で、時間の経過とともに分解され、細胞の増殖を可能にしました。ここで紹介した戦略は、シルクベースの人工細胞壁内の哺乳類細胞の細胞適合性ナノカプセル化のための基礎を提供します。

Nanocoating of individual mammalian cells with polymer layers has been of increasing interest in biotechnology and biomedical engineering applications. Electrostatic layer-by-layer (LbL) deposition of polyelectrolytes on negatively charged cell surfaces has been utilized for cell nanocoatings using synthetic or natural polymers with a net charge at physiological conditions. Here, our previous synthesis of silk-based ionomers through modification of silk fibroin (SF) with polyglutamate (PG) and polylysine (PL) was exploited for the nanocoating of mammalian cells. SF-PL constructs were cytotoxic to mammalian cells, thus an alternative approach for the synthesis of silk ionomers through carboxylation and amination of regenerated SF chains was utilized. Through the optimization of material properties and composition of incubation buffers, silk ionomers could be electrostatically assembled on the surface of murine fibroblasts and human mesenchymal stem cells (hMSCs) to form nanoscale multilayers without significantly impairing cell viability. The resulting silk-based protein nanoshells were transient and degraded over time, allowing for cell proliferation. The strategies presented here provide a basis for the cytocompatible nanoencapsulation of mammalian cells within silk-based artificial cell walls, with potential benefits for future studies on surface engineering of mammalian cells, as well as for utility in cell therapies, 3D printing, and preservation.