Hydrogel dimensionality directs mechanics-dependent nascent matrix deposition by tendon fibroblasts

腱は、筋肉と骨を繋ぎ、私たちが強さと精密さを持って動くことを可能にする、硬くてロープのような組織です。これらの組織の中では、腱線維芽細胞と呼ばれる特殊な細胞が建設作業員として働き、細胞外マトリックスを絶えず構築・修復しています。このマトリックスは、主にコラーゲンからなる複雑な足場であり、腱の構造と、力を受け止める能力を与えています。これらの細胞が仕事を正しく遂行するためには、周囲の物理的な環境を感知できなければなりません。細胞は、自身が埋め込まれている材料の硬さを感じ取り、それに応じて自身の振る舞いを調整します。もし環境が柔らかすぎたり硬すぎたりする場合、あるいは細胞が動けないような状態で閉じ込められた場合、建設作業に狂いが生じ、損傷や不完全な治癒につながることがあります。これらの細胞がどのように物理的な周囲の環境を解釈しているのかを正確に理解することは、腱の損傷に対するより良い治療法を開発したり、損傷した組織を修復するのに役立つ人工材料を設計したりするために極めて重要です。

科学者たちは、表面の硬さが細胞の振る舞いに影響を与えることを古くから知っていましたが、そのルールは、細胞が平らな表面に座っているのか、あるいは三次元のゲルの中に浮いているのかによって変化します。平らな二次元の世界では、細胞は一般的に、より硬い表面の上に置かれると、より広がり、より活発になります。しかし、細胞が三次元ゲルの中に閉じ込められている場合、ルールはしばしば逆転します。つまり、硬いゲルは細胞を押しつぶし、細胞が広がり、仕事をするのを困難にすることがあるのです。ペンシルベニア大学とミシガン大学の研究者による新しい研究は、これらの異なるルールが腱線維芽細胞にどのように適用されるのか、そして具体的に、それが細胞が作り出す新しい材料にどのように影響するのかを明らかにしようとしました。研究チームは、環境の次元性（平坦か三次元か）が、腱細胞の硬さへの反応と、新しいマトリックスの沈着方法を変えるのかどうかを知りたいと考えました。

これを調査するために、研究者たちは、体内に存在する天然物質であるヒアルロン酸から作られた特殊な種類のゲルを使用しました。彼らは、ゲルの硬さを精密に調整できるようにこのゲルを改変しました。彼らはマウスの尾の腱から腱線維芽細胞を培養し、二つの異なるセットアップの中に配置しました。最初のセットアップでは、細胞を10および25キロパスカルの硬さを持つ平らなゲルの上に播種しました。二つ目のセットアップでは、細胞を5、10、および50キロパスカルの硬さを持つ三次元ゲルの内部に封入しました。細胞がどのような新しい材料を作っているのかを正確に観察するために、科学者たちは巧妙なラベル付け技術を用いました。彼らは細胞に糖分子を与え、細胞が新しく構築したタンパク質の中にその糖を取り込ませました。その後、この糖に特異的に結合する光るタグを添加することで、新鮮な、新生マろックスが細胞の周囲に沈着していく様子を見ることができるようにしました。

平らな二次元培養において、結果は予想通りのパターンに従いました。細胞がより硬いゲルの上にあるとき、細胞はより広がり、より平坦で大きくなりました。この広がりは、細胞内のシグナル伝達の変化、具体的には、成長とマトリックス生産のスイッチとして機能するYAPと呼ばれるタンパク質の核への移動を伴っていました。その結果、25キロパスカルの硬いゲル上の細胞は、10キロパスカルの柔らかいゲル上の細胞よりも、有意に多くの新しいマトリックスを沈着させました。研究者たちは、新しいマトリックスが最初は細胞の近くの小さな点として始まり、最終的には連続した繊維状のネットワークへと成長していく様子を観察しました。このプロセスは、硬さに関わらず時間の経過とともに起こるものでしたが、総量はより硬い表面において高くなっていました。

三次元ゲルの中に細胞を配置すると、物語は完全に変わりました。ここでは、硬さと細胞の振る舞いの関係が逆転しました。柔らかいゲル（5および10キロパスカル）の中の細胞は、最も硬い50キロパスカルのゲルの中の細胞と比較して、わずかに広がりを見せ、核内のYAPタンパク質のレベルが高くなりました。硬い三次元ゲルの中の細胞は、材料のタイトなネットワークによって閉じ込められ、小さく丸い状態のままでした。その結果、硬いゲルにおける新しいマトリックスの沈着量は、柔らかいゲルの中よりも少なくなりました。興味深いことに、10キロパスカルのゲル内の細胞は、5キロパスカルのゲル内の細胞よりも多くの新しいマトリックスを生成しており、三次元においては、平坦な培養で見られる傾向とは異なる、マトリックス生産のための最適な硬さが存在することを示唆していました。

研究者たちは、細胞が何を計画しているのかを理解するために、細胞内の遺伝的な指示についても調べました。彼らは、細胞がより柔らかい三次元ゲルの中で、コラーゲンI型やテナスシンCといった、健康な腱形成に関連する遺伝子をオンにしていることを見出しました。対照的に、硬い50キロパスカルのゲルの中の細胞は、これらの腱特異的な遺伝子をオフにし、代わりに、より腱らしくない状態を示す兆候を示しました。彼らは、腱細胞の周辺環境を形成する特定のコラーゲンをより少なく生成し、通常は基底膜に見られる別の種類のコラーゲンをより多く生成していました。この遺伝的プログラミングの変化は、硬いゲルによる物理的な閉じ込めが、細胞のアイデンティティとその腱構築者としての能力を根本的に変えてしまうことを裏付けました。

この研究は、環境の次元性が、腱細胞がその周囲をどのように感知し、反応するかにおける決定的な要因であることを強調しています。硬い表面は平坦な培養においてマトリックス生産を促進しますが、硬い三次元ゲルは、細胞を物理的に制限し、その遺伝プログラムを変えてしまうことで、むしろそれを抑制してしまう可能性があります。この発見は、単に材料を硬くすることが、必ずしも組織修復を促す答えではないことを示唆しています。むしろ、腱の治癒のためのバイオマテリアルの設計は、組織の三次元的な性質を考慮しなければなりません。すなわち、細胞が広がり、腱構築遺伝子を活性化させるのに十分な柔らかさを持ちつつ、かつ強固な新しいマトリックスの形成を支えるのに十分な構造を備えた材料である必要があります。これらの複雑な相互作用をマッピングすることで、研究者たちは、身体の自然な修復メカニズムを効果的にサポートできる人工的な環境を作り出すための、より明確なガイドを提供したのです。