Bio-mimicked Leaf-Imprinted Topographies: Pattern Characterization and Cell Response

試験管の中に、小さくて生きた都市を築こうとしているところを想像してみてください。この都市では、細胞が建物となり、現実の都市の人々と同じように、彼らも仕事を適切にこなすために整然とした列を作る必要があります。骨格筋や神経細胞を、一チームの漕ぎ手だと考えてみてください。もし全員がバラバラの方向を向いていたら、ボートはどこにも進みません。長い間、科学者たちは高価でハイテクな機械を使ってプラスチックの表面に小さな道路や模様を刻むことで、これらの「都市」を作ろうとしてきました。しかし、これらの機械は、ブルドーザーで傑作を描こうとするようなもので、コストがかさむ上に、自然界に見られる複雑で入り組んだ細部を見落としてしまうことがよくあります。この論文は、組織工学と呼ばれる科学の一角へと踏み込みます。そこでの目標は、ラボで健康な組織を育てることです。ここでの大きな疑問は、大金を投じたり自然の複雑さを失ったりすることなく、細胞が体内の細胞と同じように完璧に整列するように仕向ける表面を、どうすれば作れるかということです。

研究者たちは、自然と戦うのをやめて、自然から借りることに決めました。複雑な機械を使って模様を刻む代わりに、彼らは一枚の葉を手に取りました。そうです、本物の葉です！彼らは、葉が植物によって作られた指紋のような、微細で自然な溝や隆起に覆われていることに気づきました。彼らはこれらの葉を「スタンプ」として使い、柔らかく伸縮性のあるPDMS（ハイテクな透明ゴムのようなもの）という素材にその模様を押し付けました。ゴムが硬化した後、彼らは葉を剥がし、そこには葉の表面の完璧な凹凸の複製が残されました。それから、C2C12と呼ばれる特定の種類の筋肉細胞（筋肉を作る細胞のラボ版）を迎え入れ、これらの細胞が異なる葉のテクスチャに対してどのように反応するかを観察しました。

チームは、葉をさまざまな「ダンスフロア」のメニューのように扱いました。彼らはバナナ科（Musaceae）とドラセナ（Dracaena Sanderiana）の葉の表側と裏側の両方をテストしました。筋肉細胞がバナナの葉の裏側のゴムコピーの上で踊ると、細胞はアスペクト比8.3の細長い形状へと引き伸ばされました。同じ葉の表側でも、細胞は良好に引き伸ばされ、アスペクト比6.3に達しました。これらは、チームが観察した中で最も長く引き伸ばされた細胞でした。しかし、直線的で秩序ある列を作るとなると、ドラセナの葉の裏側のゴムコピー上の細胞が最も従順であり、最も高い整列度を示しました。

しかし、科学者たちはわずか2種類の植物で終わったわけではありません。世の中には非常に多くの異なる葉が存在するため、どの葉が細胞にとって最高の「ダンスフロア」になるかを知るのは難しいと彼らは理解していました。これを解決するために、彼らは15種類の異なる葉の表面のカタログを作成しました。彼らはただ眺めるだけでなく、2D FFT解析という特別なコンピュータツールを使用して、溝の「波長」、つまり葉の凹凸のリズムと間隔を測定しました。また、水がその表面でどのように振る舞うかを調べ、表面が水に親和的か、あるいは水を弾くかを判断するために「接触角」を測定しました。

この論文は、細胞を整列させる秘訣は単一の要素ではなく、表面の物理的な凹凸と、表面が水とどのように相互作用するかという組み合わせであると示唆しています。バナナの葉のパターンは細胞を最も引き伸ばし、ドラセナのパターンは細胞を最も真っ直に整列させましたが、著者らは、自然界には非常に多くの変異があるため、完璧なデザインを見つけることは難しいと述べています。彼らはあらゆる状況における唯一の「勝者」を宣言したわけではありませんが、異なる葉のテクスチャが細胞の挙動にどのように影響するかについて、より明確な地図を提供しました。彼らの知見は、将来より優れた人工組織を構築したいのであれば、表面の形状と、その表面がどれほど湿っているか、あるいは乾燥しているかに、自然界自身の設計図をガイドとして細心の注意を払う必要があるということを指摘しています。