Three-dimensional cell culture on polyvinyl alcohol (PVA) nanofiber containing Arg-Gly-Asp (RGD) peptide

Abstract

Recently, the importance of nanofibers as a three-dimensional cell culture scaffold has been revealed. Research and development on nanofiber production using electrospinning has been actively conducted. Among various polymer polyvinyl alcohol (PVA), a water-soluble polyhydroxy polymer, is widely used due to its unique property of dissolving in a water, biocompatibility, biodegradability and permeability. However, PVA nanofiber is highly soluble in water which lead to low protein affinity and poor cell attachment. In this study, addition of PAA and GA to PVA solution resulted to the insolubility of the PVA nanofiber in water. RGD peptide, a major integrin binding domain, was mixed in PVA/PAA/GA solutions and fabricated using electrospinning. Cell adhesion and cell function were examined in RGD-PVA nanofiber membrane.. Surface morphology of nanofibers was analyzed by scanning electron microscope (SEM). MLE-12 cells and mouse hepatocytes were culture on PVA nanofibers and RGD-PVA nanofibers. The adherence, morphology, viability and proliferation of both cells were examined. As a result, cells cultured on RGD-PVA nanofibers showed better cell adhesion and growth stability then on PVA nanofibers alone. This study provides effective and simple way to confirm the possibility PVA nanofibers to be mixed with cell attaching peptides. Thus, RGD containing can be applied in three-dimensional cell culture.

최근 3차원 세포 배양 지지체로서 나노섬유의 중요성이 드러나면서, 전기방사 (electrospinning)에 의한 나노섬유의 제조에 대한 연구개발이 활발하다. 다양한 고분자 용액 중에서 수용성 폴리하이드록시 중합체인 폴리비닐알코올 (polyvinyl alcohol, PVA)은 합성고분자 중에서 물에 녹는 독특한 성질 가진 수용성 물질이며 생체적합성, 생분해성 및 투과성을 가지고 있어 광범위한 실제 응용이 가능하다. 하지만 PVA 나노섬유는 물에 대한 용해도가 높고 단백질 친화성이 낮아 세포 부착성이 좋지 않은 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 PVA 용액에 가교제인 폴리아크릴산 (polyacrylic acid, PAA)과 글루타르알데하이드 (glutaraldehyde, GA)를 첨가하여 물에 녹지 않는 PVA 나노섬유를 제작하고 fibronectin, vitronectin 과 같은 세포외기질 단백질 내에 존재하는 주요 인테그린 결합 도메인인 Arg-Gly-Asp (RGD) 펩타이드를 PVA/PAA/GA 용액에 혼합하고 전기방사를 하여 제작된 RGD-PVA 나노섬유의 세포 부착능과 세포 기능을 조사하였다. 나노섬유의 표면 형태는 주사전자현미경으로 분석하였다. PVA/PAA/GA 나노섬유와 RGD 펩타이드가 함유된 RGD-PVA 나노섬유에서 기도상피세포 (MLE-12)와 마우스 초대 간세포 (primary hepatocytes)의 부착능, 형태변화, 생존력 및 증식을 비교하였다. RGD-PVA 나노섬유에 배양한 세포들은 PVA 나노섬유보다 세포의 부착능 향상 되었고 성장이 더욱 안정화 되는 것으로 나타났다. PVA 나노섬유에 세포부착형 펩타이드의 혼합이 가능함을 보여줌으로써 3차원 세포 배양에 다양하게 활용될 수 있는 가능성을 확인하였다.