Cells determine their behavior from the information gathered from their surrounding environment, which is called pericellular space. The pericellular space means the space near individual cells, including physical environment (i.e. contact with other materials, cells or air, pressure, hardness, osmotic pressure) and chemical environment (i.e. ions, growth factors, specific chemicals), and the cell membrane. Cell membrane receive and gather the information with numerous receptors, or become a signal channel by controlling the molecule transportation. Cells move and differentiate based on the information and sometimes secrete factors for signal transmission or enzymes to modify environment. So, using this in reverse, a technique for controlling cell behavior by manipulating pericellular environment has been intensively studied in chemistry and biology. When manipulating the pericellular environment, not only the purpose of manipulation, but also the environmental change during the cell culture and cytocompatibility should be considered. In this thesis, we developed the chemical methods using lipids and inorganic materials for controlling cell behavior, and cell interactions that can be seen in nature were reproduced and studied through the method.
First, method for cell patterning was developed and homotypic and heterotypic cell-cell interactions were studied. Cell attachment can be controlled by the charge of lipid molecules, and lipid bilayer structures are collapsed when they are exposed to air. So, we made a lipid-protein pattern with microcontact printing method and zwitterionic lipids, attached the cells on the protein pattern, then washed away the zwitterionic lipid bilayer by exposing the substrate to the air. After the lipid collapse, homotypic or heterotypic cells were seeded, cultured and their interactions were studied.
Next, we developed the method for single-cell nanoencapsulation with porous titania and applied it to T cell and astrocytes. Titania-inducing, cationic peptides were attached to cells by electrostatic interaction and precursor of titania was treated. Repeated process made the porous titania shell around the cell. As-made porous titania protected T cells from low or high temperature, but did not hampered the receptor-ligand and juxtacrine interaction. Furthermore, when astrocytes were encapsulated with titania, they differentiated to a new kind of reactive astrocytes.
In brief, we developed the chemical pericellular modification methods for controlling the cell behavior, and studied cell-cell and cell-cell interactions through the methods. Although the methods were applied to the limited cell species in this thesis, we expect they are applicable through wide range of cell species and substrates, which can be used as a basis for understanding cell behavior.
세포는 주위 환경과 상호작용하며 다양한 정보를 얻고, 이에 따라 자신의 거동을 결정한다. 이 때, 주위 환경은 다른 물질, 세포, 공기와의 접촉, 압력, 표면의 단단함, 삼투압, 전기적인 신호 등의 물리적인 환경, 그리고 주위 용액의 이온 조성, 성장 인자, 특수한 화학 물질 등의 화학적인 환경을 모두 포함한다. 세포막은 이러한 정보를 받아들이는 창구로, 다양한 수용체가 존재하여 자극을 받아들이기도 하고, 단백질이나 지질 이중층을 통해 물질 출입을 통제하여 자극 전달의 통로가 되기도 한다. 이렇게 받아들인 정보를 토대로 세포는 움직이고 분화하며 때로는 직접 효소나 물질을 분비하여 주위 세포들에게 신호를 보내거나 환경을 직접 개질한다. 이를 역으로 이용하여, 주위 환경을 조작하여 세포의 거동을 원하는 대로 제어하는 기술은 화학과 생명 분야에서 주요하게 연구되어 왔다. 주위 환경을 설계할 때에는 상호작용의 목적뿐만 아니라 세포와의 배양 시 세포로 인한 환경의 변화, 세포친화성 또한 고려해야 한다. 본 연구에서는 지질과 무기 물질을 이용하여 세포 거동을 제어할 수 있는 화학적인 방법을 개발하였으며 이를 통해 자연에서 볼 수 있는 세포 상호작용을 재현하고 관찰하였다.
먼저, 지질의 전하에 따라 세포의 부착 정도를 조절할 수 있다는 점과 지질 이중층이 공기에 노출될 시 구조가 무너지는 점에 착안하여 세포를 패터닝하는 방법을 개발하고, 이를 통해 동형, 이형 세포 상호작용을 관찰하였다. 패턴은 단백질 마이크로접촉 프린팅과 양이온성(zwitterionic) 지질을 이용하여 만들어졌으며 단백질 패턴에만 세포가 부착하였다. 이후 공기에 짧은 시간 노출시켜 지질 이중층을 씻어내고 동형 혹은 이형의 세포를 부착시켜 세포간 상호작용을 관찰할 수 있는 도구로 이용할 수 있음을 보였다.
다음으로는 다공성 산화타이타늄을 포유류 세포에 피포화하는 방법을 개발하여, T세포와 별아교세포를 산화타이타늄으로 피포화하였다. 산화타이타늄을 유도할 수 있는 양전하를 가진 펩타이드를 세포에 정전기적 인력으로 부착한 후, 산화타이타늄 전구체를 세포에 처리하여 세포 주위에만 산화타이타늄 입자를 유도하는 과정을 여러 번 반복하여 다공성 산화타이타늄 껍질로 세포를 감쌀 수 있었다. 다공성의 산화타이타늄 껍질은 T세포에서는 세포 표면에서의 수용체-리간드 결합을 막지 않으면서도 온도 변화로부터 세포를 보호해주었다. 더 나아가, 별아교세포는 산화타이타늄으로 피포화했을 때 지금까지 유도되지 않은 종류의 특수한 반응성 별아교세포로 분화하는 것을 확인하였다.
요컨대, 본 연구는 세포 주위를 지질과 무기물을 사용하여 화학적으로 조작하는 세포친화적인 방법들을 제시하였으며, 이 방법들을 통하여 세포-세포, 세포-물질 간 상호작용을 관찰할 수 있었다. 비록 본 연구에서는 일부 세포들에게 적용하여 응용 사례를 보여줬으나, 폭넓은 세포와 계면에도 방법이 적용되어 세포의 거동을 이해하는 데 밑바탕으로 쓰일 수 있을 것으로 기대된다.
