Controlling cell behaviors is important issue in biomedicine. Because cells are generally sensitive to the surrounding environment, manipulations of chemical functional groups at cell-surface interfaces and the physical structure interacting with cells are easy method to modulate cell behaviors. Recently, nanomaterials also have been actively used for regulating cell behaviors as a gene delivery carrier. Therefore, we try to modulate cell behaviors as follows.
First, we examine the development of primary neurons on thoroughly controlled chemical functional groups to investigate effects of surface charges on neuronal behaviors. Negatively charged surfaces presenting carboxylate ($COO^-$) or sulfonate ($SO_3^-$) groups prove beneficial to neuronal behavior, in spite of their supposed repulsive electrostatic interactions with cellular membranes. The adhesion and survival of primary hippocampal neurons on negatively charged surfaces are comparable to or slightly better than of those on positively charged (poly-D-lysine-coated) surfaces, and neuritogenesis and neurite outgrowth are accelerated on $COO^-$ and $SO_3^-$ surfaces. Moreover, such favorable influences of the negatively charged surfaces are only seen in neurons, but not for astrocytes. To induce synergistic effects of chemical functional groups and nanotopograpy, we introduce chemical functional groups into nanogrooves. We are eventually able to modulate not only neurite extension but also neurite directionality. These results indicate that the in vitro developmental behavior of primary hippocampal neurons is sophisticatedly modulated by angstrom-sized differences in chemical structure or the charge density of the surface, and not by simple electrostatic interactions.
Second, we manipulate cellular responses by using gene delivery technique based on surface charges and structural effects of nanomaterials. We synthesize monodispersed mesoporous silica nanoparticles (MMSNs) possessing very large pores (> 15 nm) to apply the nanoparticles to plasmid DNA delivery to human cells. The aminated MMSNs with large pores provide cationic pores large enough to load plasmids inside and outside of the particles and readily enter into cells without supplementary polymers such as cationic dendrimers. Furthermore, MMSNs with large pores can efficiently protect plasmids from nuclease-mediated degradation and show much higher transfection efficiency of the plasmids encoding luciferase and green fluorescent protein (pLuc, pGFP) compared to MMSNs with small pores (~ 2 nm).
Third, we protect cells from exogenous substances (toxic hydrophobic molecules, nanoparticles, and nucleic acids such as siRNA, and plasmid DNA) by using micro-sized graphene oxide (GO) that exhibits a sheet-like structure. The cytoprotective effect of GO against the internalization of extracellular materials enables spatial control over gene transfection through region-selective gene delivery only into GO-untreated cells, and not into the GO-treated cells.
생체 의학에서 세포의 행동을 제어하는 것은 중요한 문제이다. 세포는 일반적으로 주변 환경에 민감하기 때문에 세포와 접촉하는 표면의 화학작용기 또는 세포와 상호작용하는 물리적 구조를 조작하면 세포의 행동을 쉽게 조절할 수 있다. 최근 나노물질 또한 유전자 운반체로서 세포의 행동을 조절하는데 활발하게 이용되고 있다. 따라서 다음과 같은 방법으로 우리는 세포의 행동을 조절하고자 한다.
첫번째로, 우리는 표면 전하가 해마 신경세포의 거동에 어떠한 영향을 주는지 알아보고자 다양한 화학작용기를 가지는 표면을 만들고 그 위에서의 신경세포의 발달을 조사한다. 음전하를 띄는 카복실 레이트 ($COO^-$) 또는 설포네이트 ($SO_3^-$) 표면은 동일하게 음전하를 띄는 세포막과의 반발력에도 불구하고 신경 세포의 부착 및 생존이 양전하를 띤 (폴리-D-라이신으로 코팅 된) 표면에 비해 비슷하거나 약간 우수하며, 신경 돌기의 형성과 성장을 촉진시킨다. 음으로 하전된 표면의 이러한 유리한 영향은 신경세포에서만 나타나고 반대로 성상 세포의 성장은 억제시킨다. 나아가 나노구조체에 화학 작용기를 도입하면 신경 돌기의 성장뿐만 아니라 신경 돌기의 방향성도 조절할 수 있다. 이러한 결과는 해마 신경세포의 생체 외 발달 거동이 단순한 정전기적 상호 작용이 아니라 옹스트롱 크기의 화학 구조 차이 또는 표면 전하의 밀도 차이에 의해 정교하게 조절된다는 것을 의미한다.
두번째로, 나노물질의 표면 전하와 구조에 기반한 유전자 전달 기술을 사용하여 세포의 반응을 조절한다. 우리는 인간 세포에 플라스미드 DNA를 전달하고자 매우 큰 기공 (> 15 nm)을 갖는 단분산 다공성 실리카 나노 입자를 합성한다. 아민화된 다공성 실리카 나노입자는 큰 양이온성 기공을 가져 입자의 내부와 외부에 플라스미드를 충분히 적재할 수 있으며, 양이온성 덴드리머와 같은 보충 중합체 없이 쉽게 세포에 들어갈 수 있다. 또한, 큰 기공을 가진 다공성 실리카 나노입자는 핵산 가수분해효소로부터 플라스미드를 효율적으로 보호할 수 있으며, 작은 구멍 (~ 2 nm)을 갖는 다공성 실리카 나노입자와 비교하였을 때 발광효소 또는 녹색 형광 단백질을 암호화하는 플라스미드(pLuc, pGFP)의 훨씬 높은 형질 도입 효율을 보인다.
세번째로, 우리는 시트와 같은 구조를 나타내는 마이크로 크기의 그래핀 산화물 (GO)을 사용하여 외인성 물질 (독성 소수성 분자, 나노 입자, siRNA와 플라스미드 DNA 같은 핵산)로부터 세포를 보호한다. GO의 세포 보호 효과는 GO가 처리된 세포가 아닌 GO가 처리되지 않은 세포로만 선택적으로 유전자 전달이 가능하게 함으로써 유전자 형질 도입에 대한 공간적 제어를 가능하게 한다.
