分子構造の秩序をもつケイ酸イオン種への骨芽細胞応答

成骨细胞对具有有序分子结构的硅酸盐离子物质的反应

基本信息

批准号：
22K04711
负责人：
中村仁
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Kyushu Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

セラミックスから溶け出た水溶性のケイ酸イオン種は、無機化合物でありながら骨芽細胞の遺伝子発現を活性化し骨の形成を促進する。従来の研究では、Bioglass45S5と呼ばれる特定組成のケイ酸塩ガラスからの溶出物について、濃度依存的な細胞応答が調べられてきた。一方で、ケイ酸イオン種は多様な分子構造を取りうるが、その分子構造を軸に骨芽細胞への寄与を検討した例は他に見ない。本研究では規則的な分子構造を持つケイ酸イオン種の創出に向け、その鋳型となる化合物として層状ケイ酸カルシウム水和物（CSH）に注目した。CSHは、鎖状ケイ酸とカルシウム多面体からなる層状の骨格が積層した層状化合物である。CSHはシラン分子を出発原料に添加することで任意の量の有機官能基を導入できる。初年度は、種々の割合でプロピル基を導入したCSHを合成し、溶出したケイ酸の構造と細胞応答を解析した。硝酸カルシウム、プロピルトリメトキシシランおよびケイ酸ナトリウムを原料として、水熱処理により微粒子状の試料を得た。これらの試料はCSH結晶と同様の層状骨格をもち、プロピル基で修飾された鎖状ケイ酸を含むことが分かった。緩衝溶液への浸漬により、これらの試料からはプロピル基で修飾された1～3量体のケイ酸イオン種が溶出することが分かった。さらに、試料中のプロピル基の含有量が多い試料ほど、水溶液中へ放出されたケイ酸イオン種のプロピル修飾量が高くなる傾向がみられた。これらのケイ酸イオン種を含む培地中でマウス骨芽細胞様細胞を培養した際、培養14日目において、プロピル修飾量の少ない試料ほど、生細胞数が多くなる傾向がみられた。一方で、細胞の骨分化マーカーの発現量は、プロピル修飾量の高い試料ほど多くなる傾向を示した。以上の結果から、ケイ酸の構造は細胞応答に影響を及ぼすと考えられる。

尽管从陶瓷中溶解的水溶性硅酸盐离子物质是无机化合物，但它们激活成骨细胞中的基因表达并促进骨形成。先前的研究调查了细胞对特定成分（称为 Bioglass45S5）的硅酸盐玻璃洗出液的浓度依赖性细胞反应。另一方面，虽然硅酸盐离子种类可以具有多种分子结构，但还没有其他研究根据其分子结构检验它们对成骨细胞的贡献。在这项研究中，我们重点关注层状硅酸钙水合物（CSH）作为模板化合物来创建具有规则分子结构的硅酸盐离子物质。 CSH是一种由链状硅酸和钙多面体构成的层状骨架组成的层状化合物。 CSH 可以通过向起始材料中添加硅烷分子来引入任意数量的有机官能团。第一年，我们合成了引入各种丙基的CSH，并分析了洗脱硅酸的结构和细胞反应。以硝酸钙、丙基三甲氧基硅烷和硅酸钠为原料，通过水热处理得到细颗粒样品。发现这些样品具有类似于 CSH 晶体的层状骨架，并含有用丙基改性的链状硅酸。发现通过浸入缓冲溶液中，用丙基修饰的单聚至三聚硅酸盐离子物质从这些样品中洗脱。此外，存在样品中的丙基含量越高，释放到水溶液中的硅酸根离子种类的丙基改性量越高的趋势。当小鼠成骨细胞样细胞在含有这些硅酸盐离子种类的培养基中培养时，在培养的第14天，具有较低量的丙基修饰的样品存在具有较高数量的活细胞的趋势。另一方面，在具有较高水平的丙基修饰的样品中，细胞中成骨分化标志物的表达水平趋于增加。根据以上结果，认为硅酸的结构影响细胞反应。