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方法論記事

リアルタイム共焦点イメージングを備えた、シュワン細胞への遠隔かつ制御可能な機械的刺激のための磁性ナノアクチュエーションプラットフォーム

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⸱

DOI:

10.3791/71685

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2026年9月8日

 ,  ,  ,  , 
1Department of Hand Surgery, Orthopedic Center, The First Hospital of Jilin University, 2Key Laboratory of Tissue Repair, Reconstruction and Regeneration of Jilin Province, 3International Medical Department, Geriatric Medical Center, The First Hospital of Jilin University, 4Institute of Translational Medicine, The First Hospital of Jilin University

この記事について

サマリー

本プロトコルでは、蛍光標識した超常磁性ナノ粒子、校正済みの電磁石、およびリアルタイム共焦点イメージングを統合し、シュワン細胞を遠隔かつ制御可能に刺激し、その機械感覚応答をダイナミックにモニタリングできる顕微鏡適合型磁気ナノアクチュエーションプラットフォームを紹介します。

要約

機械的な力は細胞の挙動を決定的に制御しますが、既存の機械的刺激手法の多くは直接的な物理的接触や人工的に構築された細胞外環境に依存しており、ダイナミックな生細胞研究における柔軟性に限界があります。本研究では、シュワン細胞に対して遠隔で非接触かつ制御可能な機械的刺激をin vitroで与えるための磁性ナノアクチュエーションプラットフォームを提示します。この統合的なセットアップにより、同一の実験セッション内で遠隔磁気刺激と同期した生細胞イメージングが可能になります。本稿では、蛍光超常磁性ナノ粒子（SPIONs）、およびオプションとしてアクチン標的機能化SPIONs（f-SPIONs）の調製、顕微鏡互換の電磁刺激デバイスの構築と校正、単一粒子および単一細胞レベルでの磁気力の推定、そして磁気アクチュエーションとリアルタイム共焦点イメージングの統合について詳述します。シュワン細胞は極めて高い機械感受性を持つグリア細胞であり、末梢神経の発達、維持、および修復において不可欠な役割を果たしています。機械的刺激に対するこれらの細胞の応答をリアルタイムでモニタリングすることは、機械的な力が細胞骨格の組織化や細胞挙動にどのように影響するかを理解する上で極めて重要です。本プラットフォームは、シュワン細胞のメカノバイオロジーを研究するための再現可能なワークフローを提供し、他の機械応答性細胞種や多細胞システムにも応用可能です。

概要

機械的な刺激は、接着、遊走、増殖、分化、および表現型の可塑性を含む幅広い細胞プロセスを調節しています1,2,3。メカノバイオロジーの研究により、ニューロンとグリア細胞の両方が、発生過程を通じて顕著なメカノセンシティビティ（機械刺激感受性）と応答性を示すことが明らかになっています4,5,6,7。細胞がどのように力を感知し応答するかを調査するために、原子間力顕微鏡（AFM）、マイクロピペット吸引法、光ピンセット、伸展ベースの培養システム、マイクロ流体プラットフォームなど、複数の実験的手法が開発されてきました8,9,10,11,12。これらの技術は、メカノトランスダクション（機械刺激受容）の研究を大きく進展させました。しかし、多くの手法は細胞との直接的な物理的接触を必要とするか、あるいは事前に定義された人工的な機械的環境に依存しているため、遠隔操作が可能で動的に制御でき、かつイメージングと互換性のある刺激には不向きです。

磁性ナノ粒子を介した力の伝達は、遠隔的なメカノスティミュレーションのための代替戦略となります13,14,15,16,17,18。ほとんどの生物学的組織は低い磁化率を示すため、外部から印加された磁場は生物学的試料に直接接触することなく浸透し、細胞や組織に導入された磁気応答性粒子に選択的に作用させることができます。磁場勾配が存在すると、これらの粒子は方向性を持つ力を受け、それを利用してサブ細胞、細胞、あるいは組織レベルで機械的な摂動を加えることが可能です8,9。この手法は、非接触であり、調整可能で、ライブイメージングと互換性があり、さらに、より複雑な生物学的システムへの拡張の可能性があるため、非常に有用です。

シュワン細胞は高度な機械受容性を有するグリア細胞であり19,20、末梢神経の発達、維持、および修復において重要な役割を果たしています21,22。 物理的刺激に対するシュワン細胞の応答をダイナミックに観察することは、力がどのように細胞骨格の組織化や細胞行動を制御しているかを理解する上で重要です。しかし、従来の多くの力導入システムは、リアルタイムの高解像度顕微鏡観察との互換性が十分ではありません。この制限を解消するため、我々は、アクチン細胞骨格を標的とする蛍光磁性超微粒子（f-SPIONs）、共焦点顕微鏡のステージに対応したカスタム電磁デバイス、および力推定のための定量的なフレームワークを組み合わせた磁気ナノアクチュエーションプラットフォームを開発しました。この統合セットアップにより、同一の実験セッション内で、リモート磁気刺激と同期した生細胞イメージングが可能になります。

ここで説明するワークフローには、蛍光磁性スーパー粒子（SPIONs）の調製、f-SPIONsを作製するためのオプションであるファロイジンベースのアクチン標的機能化、ナノ粒子の特性評価、電磁デバイスの構築と電場のキャリブレーション、磁力の推定、およびリアルタイム共焦点イメージングを組み合わせた磁気刺激が含まれます。本プラットフォームはここではシュワン細胞向けに最適化されていますが、他の機械的応答性生体システムにおける関連研究にとっても実用的な枠組みを提供できる可能性があります。

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プロトコル

本プロトコルで述べられている実験では、確立されたラットシュワン細胞株（RSC96）を使用しており、ヒト参加者または生きた動物は含まれていません。本研究は、吉林大学第一附属病院の動物福祉および倫理委員会によって承認された（承認番号：2022-0045）、動物実験を含むより広範な研究プロジェクトの一環として実施されました。

1. 蛍光磁性スーパーパーティクルの調製

  1. オレイン酸コーティングFe₃O₄ナノ粒子を合成する。
    ​注：オレイン酸コーティングFe₃O₄ナノ粒子は、既報20,23の熱分解法により合成した。
    1. 反応フラスコに、ベンジルエーテル 20 mL、Fe(acac)₃ 2 mmol、オレイン酸 6 mmol、オレイルアミン 6 mmol、および 1,2-ヘキサデカンジオール 5 mmolを加える。
    2. 窒素雰囲気下で15分間撹拌し、均一な前駆体溶液を得る。
    3. 20 °C/minの速度で、混合物を200 °Cまで加熱する。
    4. 200 °Cで30分間反応を維持する。
    5. 温度を265 °Cまで上げ、混合物を30分間還流させる。
    6. 反応混合物を室温まで自然冷却する。
    7. 磁気分離によりFe₃O₄ナノ粒子を回収する。
    8. ナノ粒子をエタノールで3回洗浄する。
    9. 精製したナノ粒子をトルエンに再分散させる。
  2. Fe₃O₄·Cy3.5スーパー粒子をアセンブルする。
    ​注：Fe₃O₄·Cy3.5スーパー粒子は、既報20,24,25のとおりに調製した。
    1. 50 mLの三口丸底フラスコ内で、オレイン酸コーティングFe₃O₄ナノ粒子 28 mgをトルエン 4 mLに分散させる。
    2. 水 12.5 mLに、ドデシル硫酸ナトリウム 12.5 mgとCyanine 3.5 (Cy 3.5) 3 mgを含む水相を調製する。
    3. トルエン中のFe₃O₄ナノ粒子懸濁液（4 mL中に28 mg；7 mg/mL）を、水相の界面活性剤/色素溶液と混合し、油中水型マイクロエマルションを形成させる。
    4. 安定なエマルションが得られるまで十分に混合する。
    5. 三口丸底フラスコを60 °Cに加熱し、300 rpmで6時間連続的に撹拌する。
      注：減圧濃縮やエバポレーターによる蒸発操作は不要である。
    6. 上述の条件下でトルエンを蒸発させ、Fe₃O₄ナノ粒子の凝集を誘導する。使い捨て転移ピペットを用いて、溶液の少量分注液を試験管に移し、静置する。相分離が起こらなければ、トルエンが完全に除去されたことを示す。
    7. Fe₃O₄·Cy3.5スーパー粒子懸濁液を15 mL遠心チューブに移す。室温で 2,370 × gで5分間遠心分離してスーパー粒子を回収し、ペレットを乱さないように注意して上清を捨てる。
    8. ペレットを超純脱イオン水に再分散させ、再び室温で 2,370 × gで5分間遠心分離する。上清を捨て、残存する遊離のCy3.5色素およびドデシル硫酸ナトリウムを除去するために、洗浄操作を3回繰り返す。
  3. スーパー粒子をポリドーパミン (PDA) でコーティングする。
    ​注：ポリドーパミンコーティングスーパー粒子は、既報20,26のとおりに調製した。
    1. Fe₃O₄·Cy3.5スーパー粒子懸濁液を室温で 2,370 × gで5分間遠心分離し、上清を捨てる。
    2. ペレットを10 mM Tris緩衝液 (pH 8.5) に再分散させる。
    3. 懸濁液にドーパミンモノマー 26 mgを加える。
    4. アルカリ条件下、室温で3時間撹拌する。
    5. 懸濁液を室温で 2,370 × gで5分間遠心分離する。
    6. 上清を除去し、ペレットを超純水に再分散させて、Fe₃O₄·Cy3.5@PDA粒子 (SPIONs) を得る。
  4. （任意で）粒子をphalloidin-Alexa Fluor 350で機能化する。
    ​NOTE: スーパー粒子の表面機能化には、市販のphalloidin-Alexa Fluor 350を使用した20。
    1. phalloidin-Alexa Fluor 350を 100 units含む水溶液 5 mLを調製する。
    2. 溶液に、粒子 2 mgを含むFe₃O₄·Cy3.5@PDA懸濁液 200 µLを加える。
    3. 室温で24時間、穏やかに撹拌する。
    4. 混合物を室温で 2,370 × gで5分間遠心分離する。
    5. 上清を捨て、ペレットを脱イオン水に再分散させる。
    6. 最終的なFe₃O₄·Cy3.5@PDA@phalloidin (f-SPIONs) 製剤を、使用時まで遮光して保存する。

2. ナノ粒子の特性評価

  1. 形態およびサイズの決定。
    1. 装置の要件に従い、透過型電子顕微鏡（TEM）または高分解能透過型電子顕微鏡（HRTEM）用のナノ粒子試料を調製する。
    2. 画像を撮影し、粒子全体の形態、コア・シェル構造、および平均直径を決定する（図 1）。
    3. 動的光散乱（DLS）用のナノ粒子水懸濁液を調製する。
    4. 流体力学的直径および多分散指数（PDI）を測定する。
    5. 電子顕微鏡およびDLSの結果を比較し、製剤の均一性とコロイド挙動を評価する。
  2. 磁気特性の決定。
    1. 超伝導量子干渉デバイス（SQUID）分析に適した、乾燥または濃縮したナノ粒子試料を調製する。
    2. 300 Kで磁気ヒステリシス曲線を記録する。
    3. 飽和磁化、残留磁気、および保磁力を決定する。
    4. 粒子が、残留磁気および保磁力が無視できる超常磁性挙動を示すことを確認する。
  3. 蛍光特性の決定。
    1. 超純脱イオン水中でf-SPION懸濁液を調製し、懸濁液を石英キュベットに移す。
    2. 蛍光分光光度計を用いて光ルミネッセンススペクトルを記録する。
    3. 洗浄および再懸濁後も蛍光信号が検出可能であることを確認する。
  4. 標的化製剤を用いた際のアクチン関連局在の検証。
    1. RSC96細胞を入手する。
      注：本研究で使用したRSC96細胞は、一次ラットシュワン細胞の長期培養によって樹立された自然転換ラットシュワン細胞株であり、中国科学院細胞バンク（上海、中国、CSTR: 19375.09.3101RATGNR6）から入手し、マイコプラズマおよび真菌汚染が陰性であることを確認した。継代数3～10の細胞を使用した。
    2. 10% ウシ胎児血清（FBS）および 1% ペニシリン・ストレプトマイシン溶液（100 U/mL ペニシリンおよび 100 µg/mL ストレプトマイシン）を添加したDulbecco改変イーグル培地（DMEM）で細胞を培養する。
    3. RSC96細胞を 1 × 105 cells/dishの密度で35 mm細胞培養観察用ディッシュに播種し、細胞を接着させるため、5% CO₂を含む加湿雰囲気下、37 °Cで24時間培養する。
    4. 既存の培養液を吸引し、細胞をリン酸緩衝生理食塩水（PBS）で2回洗浄し、15 µg/mL f-SPIONsを含む完全培地を加える。細胞をf-SPIONsとともに12時間インキュベートする。
    5. 培養液を吸引し、内部に取り込まれなかった粒子を完全に除去するため、1 mM デフェロキサミンを含む氷冷PBSで細胞を2回洗浄する。
    6. 共焦点画像を撮影し、粒子 intracellular 分布を評価する。細胞内構造の高分解能光学切片を得るため、イメージングパラメータをピンホール 1 Airy unit (AU)、z-step 0.43 µmに設定する。
    7. 粒子がアクチン関連の細胞領域に濃縮しているかを確認する。

3. 電磁刺激装置の作製と校正（図2）

  1. 電磁装置を組み立てます。
    1. 共焦点顕微鏡のステージおよび生細胞チャンバーに適合するサイズの小型電磁コイルシステムを構築する (図2A,B).
    2. コイルを制御可能な電源または外部電流源に接続します。
    3. COMSOL Multiphysics 4.3bを用いて、勾配磁場環境を数値シミュレーションし（図2C,D).
    4. 異なる入力電流の下で、電磁石が対応する勾配磁場（GMF）を発生させることを確認します（図2G).
  2. 磁束密度を測定し、傾斜磁場を校正する。
    1. 電磁石を培養皿の横に配置し、極先を皿の中心に向け、皿の外壁から1 mmの位置に設置します（図2E,F).
    2. 以降のすべての生細胞磁気力刺激およびイメージング実験において、電磁石と培養皿の間のこの相対的な幾何学的配置を維持してください。
    3. 培養皿底面のポジショニンググリッドを空間的な参照として使用し、デジタルガウスメーターを用いて、刺激領域内の規定の位置における磁束密度を測定してください。
    4. 磁束密度の空間的な変化から局所磁場勾配を算出する。
    5. 実験的に測定および算出した磁場勾配値を用いて、数値シミュレーションによる磁場勾配の校正および検証を行う。

4. プラットフォームによって供給される磁力の推定

  1. 力推定モデルを定義する。
    1. 不均一磁場中の磁性ナノ粒子に関する力の方程式27,28を使用する：
      磁気力の方程式 F=(m·∇)B, 物理学研究における数式表現。
    2. 印加磁場への超常磁性配向を仮定し、方程式を以下のように簡略化する：
      SPIONダイナミクス計算のための磁気力方程式図、\( F_{f-SPION} = m \frac{dB}{dr} \) を示す。
      ここで：
      F はナノ磁気力
      m は磁気双極子モーメント
      磁場理論における磁場の発散記号 ∇·B=0, 方程式図。 は磁場勾配
      dB/dr は、対応する磁場生成装置によって生成される磁場勾配 (T/m) である。
    3. すべての計算において、校正済み装置から測定された磁場勾配を使用する。
  2. 単一のナノ粒子に作用する力を推定する。
    1. HRTEM画像から平均粒子径を決定する。
    2. 球形幾何形状を仮定して、磁性コアの体積を計算する。
    3. コアの磁性分率に基づき、Fe₃O₄特異的な磁気体積を推定する。
    4. 以下の式に従って磁気双極子モーメントを計算する：質量計算式, m=ρ·V·Mm, 方程式。
      ここで：
      Mm は、所定の磁場強度下におけるf-SPIONsの質量磁化 (16 A·m2/kg) を表す。
      ρ は Fe₃O₄ の密度 (5.24 g/cm3) である。
      ​V は各f-SPION内の Fe₃O₄ 磁性コアの体積 (5.89 × 10⁻17 cm3) である。
    5. 双極子モーメントに測定された磁場勾配を乗じ、単一のナノ粒子に作用する力を推定する (静止摩擦 SPIONs; 公式 \(F_{f-SPION}\); 磁性ナノ粒子力の分析における概念。)。
  3. シュワン細胞1個あたりのナノ粒子の取り込み量を推定する。
    1. 35 mm細胞培養用顕微鏡ディッシュに、RSC96シュワン細胞を1ウェルあたり 5 × 105 cellsで播種する。
    2. 標準的な培養条件下で細胞を24時間インキュベートする。
    3. 培地を、15 µg/mL の f-SPIONs を含む新鮮な培地に交換する。
    4. さらに12時間細胞をインキュベートする。
    5. 1 mM デフェロキサミンを含む氷冷PBS（リン酸緩衝生理食塩水）で細胞を2回洗浄する。
    6. 細胞を回収し、カウントする。
    7. 誘導結合プラズマ発光分光法 (ICP-AES) を用いて細胞内の鉄含有量を測定する。
    8. 細胞あたりの平均鉄質量を粒子あたりの鉄質量で割り、細胞あたりの取り込み粒子数を計算する 静的平衡式, ΣFx=0, 図, 教育物理学的手法, 力分析概念。。
  4. 単一のシュワン細胞に加えられる力を推定する。
    1. 以下の式に従って細胞レベルの力を計算する：
      SPIONsとの細胞相互作用セットアップにおける磁気力を示す方程式。
      ここで：
      静止摩擦 SPIONs; 公式 \(F_{f-SPION}\); 磁性ナノ粒子力の分析における概念。 は、単一の f-SPION に及ぼされる磁気力である。
      ナノ粒子定量式; n^f-SPIONs_cell; 生医学的細胞追跡研究で使用。 は、細胞あたりに取り込まれた f-SPIONs の数である。
      Fcell は、単一の細胞に及ぼされる磁気力である。
    2. 得られた値を、単一のシュワン細胞に加えられる推定磁気力 (Fcell) として報告する。
    3. この値が直接的な細胞内力の測定ではなく、モデルに基づく推定値であることを明記する。

5. 磁気刺激とリアルタイム共焦点レーザー走査顕微鏡（CLSM）イメージングの組み合わせ

  1. シュワン細胞に磁性ナノ粒子を導入する。
    1. イメージング対応のibidi培養皿またはマイクロ流体培養チャンバーにシュワン細胞を播種する。
    2. 細胞を接着させ、回復させてください。
    3. 既存の培地を、以下を含む新鮮な培養培地に交換します。 15 µg/mL 機能化SPIONs
    4. f-SPIONを負荷させるため、細胞を12時間インキュベートする。
    5. 次へ進む前に、細胞形態を確認してください。
  2. 非内在化粒子を除去する。
    1. ナノ粒子を含む培地を除去する。
    2. 1 mM デフェロキサミンを含むPBSで細胞を2回洗浄する。
    3. 洗浄液を、イメージング対応の生存細胞用培地に置換してください。
    4. イメージングの前に、細胞外粒子のバックグラウンドが低いことを確認してください。
  3. 電磁石装置をCLSMイメージングシステムに統合します。
    1. 電磁石をライブセル培養チャンバーに組み立て、あらかじめ校正された位置に電磁石を配置します。
    2. 組み立てた生細胞培養チャンバーを共焦点顕微鏡のステージ上に設置します（図3）。培養皿が有効刺激領域内に配置されていることを確認します（図3A).
    3. あらかじめ設定されたパラメータに従って電磁石に通電し、培養皿エリア内で勾配磁場への曝露が有効に行われていることを確認する（図3B).
    4. 対物レンズが干渉することなく焦点面に到達できることを確認してください。
    5. デバイスが対物レンズの配置やステージの移動を妨げていないことを確認してください。
    6. 電磁石の動作中に発生する熱を考慮し、あらかじめ決定した最適な培養条件に従ってライブセルチャンバー構成部品の温度設定を調整し、内部環境を次のように維持します。 37 °C および5% CO₂ (図3C).
    7. システム全体が正常かつ安定して動作していることを確認します。
  4. 機能的カルシウムイメージング2生細胞における⁺イメージング。
    1. 以下の成分を含むKrebs–Ringer液（pH 7.4）とともに、細胞をインキュベートする。 3 µM Fluo-4 AMおよび0.1% Pluronic F-127を 37 °C 30分間。
    2. インキュベーション後、培養物をPBSで2回洗浄し、イメージングのためにCLSMシステムの生細胞イメージングプラットフォームへ移送する（図4A).
    3. ibidi培養皿の底部にあるポジショニンググリッドを使用して、あらかじめ定義された5つの位置を撮影します。
    4. 各イメージング視野を等分に25個の領域に分割し、各領域内の実際の細胞密度に応じて、蛍光定量のために各領域から0～3個の細胞を選択する。
    5. 個々の細胞の完全な外形を関心領域（ROI）として定義し、ROI内の蛍光強度の変化（ΔF）を解析することで、磁気誘起カルシウム応答をモニターする。
    6. 蛍光強度の変化を ΔF = (F刺激 - F0）。刺激前後の蛍光強度の変化（ΔF/F）を検討します。010%を超えるものをカルシウム応答イベントとする。
      注：F非刺激 磁気力刺激前の蛍光強度Fを表す0 はベースラインの蛍光強度を、F刺激 磁気力刺激後の誘発蛍光強度を表します。
    7. 背景補正を行うため、細胞のない領域で測定した平均背景蛍光強度を、各ROIの蛍光強度値から差し引いてください。
    8. 各実験に1枚の培養皿を含め、独立した実験を3回行う。
  5. タイムラプスイメージングを行い、イメージング中に磁気刺激を適用する。
    1. タイムラプスイメージングのパラメータを次のように設定する：1フレームあたりの撮影間隔を2.1秒、総撮影時間を650秒とし、1 AUを用いた標準的な高解像度光学セクショニングイメージングを行う。
    2. 細胞イメージングにおいて、磁気力刺激（F）がない状態での細胞内カルシウム蛍光強度を記録するため、電流を入力せずに50秒間連続的に画像を収集する。未刺激) (図 2H および 図4B).
    3. 最初の50秒間に記録された蛍光強度を正規化し、これをベースライン蛍光強度（F₀）と定義する。0).
    4. 続いて、電磁石に3.0 Aの定電流を入力し、磁性ナノ粒子を導入したシュワン細胞を3.25 T/mの勾配磁場にさらすことで、磁気力刺激を負荷する。その後、磁気力刺激中の細胞内カルシウム蛍光強度（F刺激) (図2H および 図4C).
    5. 蛍光強度の変化をΔF/Fとして定量的に算出する。0 (図4D,E).
  6. 統計解析を行い、Caを分析する2⁺ 蛍光データ。
    1. 各細胞について、解析した時系列データにおける$\Delta F/F_0$の中央値を算出し、この値を細胞レベルの$Ca^{2+}$値として使用します。2⁺ 応答指標
    2. 各実験条件について3回の独立した実験を行い、1回の実験につき条件あたり1枚の培養ディッシュを使用する。記述的な提示のために、3回の独立した実験で解析した細胞をプールし、nを各群で解析した細胞の総数として報告する。
    3. Kolmogorov-Smirnov検定を用いて、細胞レベルのΔF/F₀データの正規性を評価する。
    4. Caが2蛍光応答データが非正規分布である場合は、データを中央値および四分位範囲（IQR）で提示してください。
    5. 既報の通り、非パラメトリックのFriedman検定を用いて群間差を分析し、続いてペア比較のためにWilcoxon符号付順位検定を行った。
    6. 検討してください P < 統計的有意性を示すために0.05を使用。

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結果

高分解能透過電子顕微鏡（HRTEM）により、最終的なナノ粒子製剤は、表面修飾後にクラスター化した磁性コアと外殻を有していることが示された（図 1）。最終的なf-SPIONsの平均全体の直径は63.36 ± 16.65 nmであり、Fe₃O₄が豊富な磁性コアは約56.60 ± 6.19 nm、ポリドパミンとphalloidin-Alexa Fluor 350で構成される外殻の平均厚さは約5.79 ± 1.36 nmであった。これらの結果から、磁気駆動および蛍光可視化に適したスーパーパーティクル構造の構築が成功したことが確認された。

磁気ヒステリシス分析の結果、粒子は残留磁気および保磁力がほぼ無視できる、顕著な超常磁性挙動を示しました。10,000 Oe (1.0 T) の外部磁場下において、飽和磁化は約 35 A·m2/kg に達しました (図 5)。磁場勾配がない状態で、f-SPIONs は水性媒体中で良好な分散性を示しました (

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ディスカッション

酸化鉄ナノ粒子は、良好な生体適合性を備えた磁性ナノ材料として広く認識されています。超常磁性Fe₃O₄ナノ粒子は、汎用される磁気共鳴画像法（MRI）の造影剤として、臨床画像診断に幅広く応用されてきました29,30。我々のグループによる最近の研究20では、f-SPIONsが極めて低い細胞毒性と優れたバイオセーフティを示すことが実証されました。f-SPIONsを機械的アクチュエータとして用い、制御可能な電磁石と組み合わせたナノ磁気駆動プラットフォームは、シュワン細胞の細胞骨格ダイナミクスを効果的に活性化し、機械受容性Piezo1イオンチャネルの開口を誘導して経細胞膜Ca2⁺流入を誘発し、その結果として細胞内の遺伝子発現の「リプログラミング」と表現型変化を促進しました20。

このプラットフォームを正常に実装するためには、いくつかのス...

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開示事項

著者らは、競合する金銭的利益がないことを宣言します。

謝辞

本研究は、中国国家自然科学基金（助成番号 82571677 および 82001304、Y.W.宛）、吉林省医療・ヘルスケア人材特別プログラム（助成番号 JLSRCZX2025-134、Y.W.宛）、および吉林大学ベスンプログラムプロジェクト（助成番号 2024B19、Y.W.宛）の支援を受けて実施されました。著者らは、ナノ材料の設計、合成、および特性評価にご協力いただいた吉林大学化学学院（超分子構造・材料国家重点実験室）および中国科学院長春応用化学研究所に感謝いたします。また、CLSMイメージングにご協力いただいた吉林大学第一附属病院翻訳医学研究所に感謝いたします。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
1,2-ヘキサデカンジオールSigma-Aldrich213748工業用グレード、90％。熱分解合成に使用。
35 mm ibidi µ-ディッシュibidi80156シュワン細胞の培養およびイメージングに使用
ベンジルエーテルSigma-Aldrich10801498%; Fe用溶媒3O4 ナノ粒子合成
共焦点レーザー走査顕微鏡NikonAXR (Ti2-E)ライブセルイメージングおよび蛍光イメージングに使用される 
カスタム電磁石特注の該当なしin vitroにおける勾配磁場生成のための小型単極電磁石 
シアニン3.5カルボン酸Duofluor Inc.D10128Feに使用される蛍光染料3O4·Cy3.5スーパーパーティクルアセンブリ；分子量 593.20；保存温度 -20 °C、遮光して 
デフェロキサミンメシル酸塩Sigma-AldrichD9533非内部移行および膜結合鉄を除去するために使用される鉄キレート剤
デジタルガウスメーター磁気攪拌機WT103カスタム電磁石によって生成される磁束密度の測定および勾配磁場の校正に使用される
塩酸ドーパミンSigma-AldrichH8502≥98% (TLC)；ポリドパミンコーティングに使用
動的光散乱装置Malvern InstrumentsZetasizer Nano-ZS流体力学的直径およびPDI（多分散指数）の測定に使用 
Fluo-4 AM Invitrogen, Thermo Fisher ScientificF14201生細胞Ca2+測定に使用されるカルシウムインジケーター2+ イメージング
蛍光分光光度計島津製作所RF-6000フォトルミネッセンス特性評価に使用 
高分解能透過電子顕微鏡日本電子JEM-F200ナノ粒子の形態およびコアのHRTEM観察に使用–殻構造 
誘導結合プラズマ発光分光光度計PerkinElmerOptima 3300 DV細胞内鉄定量に使用される
アセチルアセトナト鉄(III)、Fe(acac)3Sigma-AldrichF30097%；Feの前駆体3O4 ナノ粒子合成
ライブセルステージトップインキュベーター東海HITTENP&CO2磁気刺激中の生細胞共焦点イメージングに使用 
オレイン酸Sigma-AldrichO1008≥99% (GC)；Fe用表面リガンド3O4 ナノ粒子合成
オレイルアミンSigma-AldrichO7805工業グレード、70%；ナノ粒子合成用リガンド
ファロイジン–Alexa Fluor 350Invitrogen, Thermo Fisher ScientificA22281オプションのアクチン標的機能化試薬 
プルロニック F-127 Invitrogen, Thermo Fisher ScientificP3000MP生細胞Ca²⁺測定におけるFluo-4 AMのローディングを促進するために使用されます。2+ イメージング
プログラマブルDC安定化電源同門eTM-L605SPL (60 V, 5 A)in vitroでの勾配磁場生成用カスタム電磁石に電力を供給するために使用される
RSC96シュワン細胞中国科学院細胞バンク該当なしラット由来シュワン細胞株 
ドデシル硫酸ナトリウム (SDS)Sigma-Aldrich436143ACS試薬、 ≥99.0%；油中水型マイクロエマルション用界面活性剤
SQUID磁力計Quantum Design Inc.MPMS-XL300 Kでの磁気ヒステリシス測定に使用 
トルエンSigma-Aldrich244511無水、99.8%；スーパーパーティクルアセンブリ用溶媒
透過電子顕微鏡FEIEP 5018/40, Tecnai Spirit Biotwin細胞および神経組織の超微形態観察に使用される 

参考文献

  1. Cheng B, et al. Mechanobiology across timescales. Nat Rev Phys. 2025;7:621-44.
  2. Di X, et al. Cellular mechanotransduction in health and diseases: from molecular mechanism to therapeutic targets. Signal Transduct Target Ther. 2023;8:282.
  3. Pillai EK, Franze K. Mechanics in the nervous system: from development to disease. Neuron. 2024;112(3):342-61.
  4. Franze K. The mechanical control of nervous system development. Development. 2013;140(15):3069-77.
  5. Franze K, Guck J. The biophysics of neuronal growth. Rep Prog Phys. 2010;73:094601.
  6. Moore SW, Sheetz MP. Biophysics of substrate interaction: influence on neural motility, differentiation, and repair. Dev Neurobiol. 2011;71(11):1090-101.
  7. Franze K, Janmey PA, Guck J. Mechanics in neuronal development and repair. Annu Rev Biomed Eng. 2013;15:227-51.
  8. Sun W, et al. Biophysical approaches for applying and measuring biological forces. Adv Sci (Weinh). 2022;9(5):e2105254.
  9. Mohammed D, et al. Innovative tools for mechanobiology: unraveling outside-in and inside-out mechanotransduction. Front Bioeng Biotechnol. 2019;7:162.
  10. Constantinou I, Bastounis EE. Cell-stretching devices: advances and challenges in biomedical research and live-cell imaging. Trends Biotechnol. 2023;41:939-50.
  11. Polacheck WJ, Li R, Uzel SGM, Kamm RD. Microfluidic platforms for mechanobiology. Lab Chip. 2013;13(12):2252-67.
  12. Li Z, et al. Non-invasive acquisition of mechanical properties of cells via passive microfluidic mechanisms: a review. Biomicrofluidics. 2021;15(3):031501.
  13. Xiao Y, Du J. Superparamagnetic nanoparticles for biomedical applications. J Mater Chem B. 2020;8(3):354-67.
  14. Yang X, et al. Nanotechnology enables novel modalities for neuromodulation. Adv Mater. 2021;33(52):e2103208.
  15. Semeano AT, et al. Effects of magnetite nanoparticles and static magnetic field on neural differentiation of pluripotent stem cells. Stem Cell Rev Rep. 2022;18(4):1337-54.
  16. Lee B, et al. Design of oxide nanoparticles for biomedical applications. Nat Rev Mater. 2025;10:252-67.
  17. Kim YJ, et al. Magnetoelectric nanodiscs enable wireless transgene-free neuromodulation. Nat Nanotechnol. 2025;20:121-31.
  18. Signorelli L, Hescham SA, Pralle A, Gregurec D. Magnetic nanomaterials for wireless thermal and mechanical neuromodulation. iScience. 2022;25(11):105401.
  19. Liu T, Wang Y, Lu L, Liu Y. SPIONs-mediated magnetic actuation promotes nerve regeneration by inducing and maintaining repair-supportive phenotypes in Schwann cells. J Nanobiotechnology. 2022;20:159.
  20. Liu T, et al. f-SPION-mediated magnetic stimulation induces reparative Schwann cell reprogramming via cytoskeletal dynamics-gated activation of Piezo1. J Nanobiotechnology. 2026;24:298.
  21. Jessen KR, Mirsky R, Lloyd AC. Schwann cells: development and role in nerve repair. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2015;7(7):a020487.
  22. Jessen KR, Mirsky R. The repair Schwann cell and its function in regenerating nerves. J Physiol. 2016;594(13):3521-31.
  23. Sun S, Zeng H. Size-controlled synthesis of magnetite nanoparticles. J Am Chem Soc. 2002;124(28):8204-5.
  24. Zhuang J, Wu H, Yang Y, Cao YC. Controlling colloidal superparticle growth through solvophobic interactions. Angew Chem Int Ed Engl. 2008;47(12):2208-12.
  25. Bai F, et al. A versatile bottom-up assembly approach to colloidal spheres from nanocrystals. Angew Chem Int Ed Engl. 2007;46(35):6650-3.
  26. Tang L, et al. Investigating the optimal size of anticancer nanomedicine. Proc Natl Acad Sci U S A. 2014;111(43):15344-9.
  27. Tay A, Kunze A, Murray C, Di Carlo D. Induction of calcium influx in cortical neural networks by nanomagnetic forces. ACS Nano. 2016;10(2):2331-41.
  28. Tay A, Di Carlo D. Magnetic nanoparticle-based mechanical stimulation for restoration of mechano-sensitive ion channel equilibrium in neural networks. Nano Lett. 2017;17(2):886-92.
  29. Cheng FY, et al. Characterization of aqueous dispersions of Fe(3)O(4) nanoparticles and their biomedical applications. Biomaterials. 2005;26(7):729-38.
  30. Lee N, et al. Iron oxide-based nanoparticles for multimodal imaging and magnetoresponsive therapy. Chem Rev. 2015;115(19):10637-89.

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