博士（理学）成田哲治
学 位 論 文 題名
Dynamics of Di
ffusion and Binding to工on
ic Gels‑on Small Molecules， Proteins and Cells‑（イオン性ゲルにおける拡散・吸着のダイナミックス― 低 分 子 ・ 蛋 白 質 ・ 細 胞 を 対 象 に し てー ）学 位 論 文内 容 の 要 旨

高分子ゲルは，高分子網目が溶媒で膨潤した構造を持ち，外部の温度． p
H．溶質濃度・イオン強度・電場等の環境の変化に動的に反応し，構造・形・性質を可逆的に変化させる興味深い物質である．生体内にも細胞外マトリックスなどのゲル状態の構造体は存在し，生命活動の場として重要な役割を担っていると考えられる，高分子ゲルはまた，生体医用材料としても期待されており，多くの研究が活発に行われている．生体に存在する低分子・蛋白質・細胞などがどのように高分子ゲルと相互作用するかを理解することは，生体におけるゲルの役割の把握といった学術的観点のみならず，新規材料の開発といった応用面に関しても重要な課題であるといえる．本研究では，高分子ゲルの重要な性質のーつであるゲル内の物質拡散およびゲルへの吸着を，低分子・蛋白質・細胞という生体の階層構造と関連づけて議論した．低分子としてはイオン性グ
ルに静電気カ・疎水性相互作用により強く相互作用しながら拡散する反対荷電の界面活性剤を選ぴ，ゲルの体積変化・高分子鎖への吸着を伴う拡散を解析した．高分子網目サイズと同程度のサイズを持つ蛋白買の拡散が，網目サイズと静電気的反発カによってどのように影響されるかを評価した．また，ゲルの物性をゲ
ル合成時のテンブレ―トの親水性を変化させることで大きく変化させることができるが（テンブレ一卜効果），これにより蛋白質の拡散・分配・吸着を制御できることを初めて明らかにした．蛋白質の吸着性の制
御は細胞の接着性およぴ細胞膜への相互作用を変化させることを示唆するが，本研究では，細胞のゲル表面への吸着をテンブレ―ト効果で制御できることを明らかにした．
本 論文 は第 1
章 の 序論 ，第 2章 から 第6章 まで の本 論， およ ぴ第 7章の 結論から構成されている．
第2章では，種々のアルキル鎖長のカチオン性界面活性剤が」反対荷電の高分子ゲル中に拡散し，ゲルの体積変化を伴いながら吸着する現象を，界面活性剤の拡散速度・ゲルの収縮速度の測定から速度論的に解析した．界面活性剤の吸着速度は，界面活性剤が静電気カ・疎水性相互作用によって高分子に吸着する過程によって増大することを明らかにした．これにより，この系で観察された極めて興味深い以下の現象を統一的に説明することが可能となった：1）ゲルの収縮は界面活性剤の拡散速度を増大する，2）網目密度の大きいゲルでは界面活性剤の拡散速度は大きい．これらの実験結果を，吸着を考慮した拡散方程式の数値計算によルモデリングし，理論的にもこれらの結果を確認することができた．
第3章では，界面活性剤およびゲルの対イオンに注目し，それらが界面活性剤の吸着速度に及ぽす影響― 245―

を 評価し た．第 2章で明 らかに なった 」界面 活性剤の 拡散速 度を強 く支配 するゲル‐界面活性剤相互作用にも かかわ らず， 界面活 性剤の 拡散速 度は，対 イオン ・副イオン両方の移動度に大きく依存した．界面活性剤の 拡散は ，ゲル ‐界面 活性剤 間の相 互作用だ けでな く，界面活性剤イオン・対イオン・副イオンの調和的な拡 散過程 にも支 配され た複雑 な過程 であるこ とを明 らかに した．
第 4章では ，本研 究で開 発され た，レ ーザ― 光の干 渉縞の バターン から， ゲル中の溶質濃度変化を測定・
拡 散係数 を算出 するレ ーザー 斑点干 渉法を用 いて， 多糖ゲル中の界面活性剤およぴ蛋白買の拡散を測定し，拡 散する 分子の半径とゲルの高分子鎖の半径，およぴゲルとの間の静電気カが拡散に及ほす影響を考察した．
半 径の小 さい界 面活性 剤はゲ ルの網 目サイズ の影響 をほとんど受けなぃが，蛋白質では網目密度の増大に伴い 拡散係 数が大 きく低 下する ことが 示された ．
高 分子ゲ ル表面 層の物 性は， そのゲ ルが形 成され たときの基盤の疎水性によって大きく変化することが明ら かにな ってい る（テ ンプレ ート効 果）．疎 水性基 盤で合成されたゲルでは，膨潤度が大きく，摩擦係数が小 さく， 圧縮弾 性率が 小さい ことが わかって いる． 第5章で は，細 胞・蛋 白質と高分子ゲルの相互作用につい て及ぽ すテン プレ― ト効果 を評価 した．カ チオン 性ゲルによるタバコ葉肉ブロトブラスト破壊，およぴア
ニ オン性 ゲルに よるタ バコ葉 肉プロ トプラス ト吸着 に対するテンブレート効果を検討した，疎水性基盤に対し て合成 された カチオ ン性ゲ ル上で は，細胞 膜は瞬 時に破壊され，細胞内容物はゲルに吸着された．ー方で親 水性基 盤で合 成され たカチ オン性 ゲルでは ，細胞 膜の破壊が起こった後も内容物はゲルに固定されなかった ．また ，親水 性基盤 で合成 された アニオン 性ゲル 上では，細胞の吸着が見られをいのに対し，疎水性基盤で 合成さ れたゲ ルでは 細胞は よく吸 着された ．これ らの結果は，疎水性基盤で合成されたゲルが柔軟な構造を 持って おり， カチオ ン性ゲ ルでは グルが変 形しや すいため，細胞にかかるストレスが小さいこと，アニオン 性ゲル では接 触面積 が多く ，また 細胞に存 在する 正電荷と相互作用できるためと考えられる．テンプレート 効果に よって ，細胞 との相 互作用 が変化す ること は，本研究によって初めて示された重要な結果である．
ゲ ルのテ ンプレ ート効 果をさ らに検 討する ために ，血管内皮細胞のゲルヘの接着性のテンプレート効果につ いて検 討した ．血管 内皮細 胞が， ガラスに 対して 合成したポリスチレンスルホン酸ナトリウムゲル(pNaSSゲ ル ） 上 でよ く 吸 着 し，紡 錘状に 伸展す るが， 同じ条 件でア クリル 板に対 して合成 したpNaSSゲルに はほと んど接 着しな いこと を明ら かにし た．ゲル 表面ゲ ル表面の性質をテンプレ―ト効果によって変化させること で，同 じ化学 種で異 なる細 胞接着 性を実現 させる ことに成功した．接着性の異なるメカニズムは正確には明 らガで はない が，血 管内皮 細胞は ，吸着し た表面 に対して接着タンバク買を吸着させ，細胞骨格で張カを働 かせる ことに よって 扁平で 伸展し た形態を 保持し ている ため， 1）疎水 性基盤で合成したゲル表面は柔軟で あるた め，力 学的に 形態を 維持で きない， 2）接着 タンバ ク買の 吸着量 が異をる，といった理由が考えられ る ． 実 際， ウ シ 血 清ア ル ブ ミ ン(BSA)の PNaSSゲ ル への 濃 度 分 配量 ， ゲ ル 中の 拡 散 係 数を 螢 光 相関分
光 法で測 定した ところ ，親水 性基盤 で合成し たゲル 中には吸着した成分と思われる拡散速度の極めて遅い成分 が確認 された が，疎 水性基 盤で合 成したゲ ルでは 見られ なかっ た・
第 6章では ，懸濁 液中で 混合さ れた， 酵母プ ロトブ ラスト と種々の 荷電状 態・疎水性の高分子の相互作用に ついて ，細胞 の生存 率およ ぴ細胞 へのポリ マ―の 吸着量の測定から検討した．ノニオン性・アニオン性高分 子は細 胞の生 存率を 変化さ せなか ったが， カチオ ン性の 高分子 の多く は電荷 濃度10'5Mという低濃度から細 胞を破 壊した ．この 結果は ゲル上 のタバコ プロト プラストの挙動と対応している．破壊速度は高分子の濃度 ・荷電 密度・ 疎水性 の増大 に伴い 増大した ．電荷 密度の高い主鎖荷電型カチオン性高分子では，低濃度か― 246 ‑ら吸 着し始 めるが 細胞の破 壊は高 濃度までみられなかった．一方で，電荷密度の低いものは，吸着が始まると協 同的に 細胞の 破壊が起 こるこ とがわかった．このことから，カチオン性高分子は負に帯電した細胞に，静電 気カで 吸着す るが，細 胞膜を 破壊し，分散するには脂買を可溶化する十分な疎水性が必要であることを明ら かにし た．
第7章 では， 以上の 内容を 総括し て結論 とした．

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学 位 論文 審 査 の 要旨
主査

教授

長田義仁

副査

教授

山岸晧彦

副査

教授

中田允夫

副査

助教授

翼剣萍

学位論文題名Dynamics of Diffusion and Binding to Ionic Gels‑on Small Molecules． Proteins and Cells‑（イオン性ゲルにおける拡散・吸着のダイナミックス― 低 分子 ・ 蛋 白質 ・ 細 胞を 対象 にして ―）学位 論 文は 第 1章 の 序論 ， 第2章か ら 第 6章ま で の 本論 ， お よび 第 7章 の結 論 か ら構 成
されてい る．本論に ついて以 下にその 要旨を述 べる．
第2章で は，種々の アルキル 鎖長のカ チオン性 界面活性 剤が，反 対荷電の高 分子ゲル 中に拡散し ，ゲルの体 積変化を 伴いなが ら吸着す る現象を ，界面活性剤の拡散速度・ゲルの収縮速度 の測定から 速度論的 に解析し た．界面 活性剤の 吸着速度は，界面活性剤が静電気カ・疎水性相互作用によって高分子に吸着する過程によって増大することを明らかにした．
これによ り，この系 で観察さ れた極め て興味深 い以下の 現象を統一的に説明することが可能と な った ： 1） ゲ ルの 収 縮は 界面活 性剤の拡 散速度を 増大する ，2）網目密 度の大き いゲルでは 界面活性剤 の拡散速 度は大き い，これ らの実験 結果を，吸着を考慮した拡散方程式の 数 値計 算 に よル モ デリ ン グし， 理論的に もこれら の結果を 確認するこ とができ た．
第 3章 では ， 界 面活 性 剤お よ び ゲル の 対 イオ ン に注 目 し ，それ らが界面活 性剤の吸 着速度に 及ぼす影響 を評価し た．第2章 で明らか になった ，界面活 性剤の拡散 速度を強 く支配するゲ ルー界面活 性剤相互 作用にも かかわら ず，界面 活性剤の拡散速度は，対イオン・副イオン 両方の移動 度に人き く依存し た．界面 活性剤の 拡散は，ゲル―界面活性剤間の相互作用だ けでなく， 界面活性 剤イオン ・対イオ ン・副イ オンの調和的な拡散過程にも支配された複 雑な過程で あること を明らか にした．
第4章で は，本研究 で開発さ れた，レ ーザー光 の干渉縞 のバター ンから，ゲ ル中の溶 質濃度変化 を測定・拡 散係数を 算出する レーザー 斑点干渉 法を用いて，多糖ゲル中の界面活性剤およ び蛋白質の 拡散を測 定し，拡 散する分 子の半径 とゲルの高分子鎖の半径，およびゲルとの 間の静電気 カが拡散 に及ぼす 影響を考 察した． 半径の小さい界面活性剤はゲルの網目サイ ズの影響を ほとんど 受けない が，蛋白 質では網 目密度の増大に伴い拡散係数が大きく低下 することが 示された ．

高分子ゲ ル表面層 の物性は ，そのゲル が形成さ れたとき の基盤の疎水性によって大きく変化する ことが明 らかにな っている（ テンブレ ー卜効果 ），疎水性基盤で合成されたゲルでは ，膨潤度 が大きく ，摩擦係数 が小さく ，圧縮弾 性率が小 さい．第 5章では， 細胞・蛋白質と高 分子ゲル の相互作 用について 及ぼすテ ンプレー ト効果を評価した．カチオン性ゲルによる タパコ葉 肉プ口ト プラスト破 壊，およ びアニオ ン性ゲルによるタバコ葉肉プ口卜
プラス卜 吸着に対 するテン プレート効 果を検討 した．疎 /K性基盤に対して合成されたカチオン性ゲ ル上では ，細胞膜 は瞬時に破 壊され， 細胞内容 物はゲルに吸着された．一方で親水性基盤 で合成さ れたカチ オン性ゲル では，細 胞膜の破 壊が起こった後も内容物はゲルに固定され なかった ．また， 親水性基盤 で合成さ れたアニ オン性ゲル上では，細胞の吸着が見られな いのに対 し，疎水 性基盤で合 成された ゲルでは 細胞はよく吸着された．これらの結果は， 疎水性基 盤で合成 されたゲル が柔軟な 構造を持 っており，カチオン性ゲルではゲルが変形 しやすい ため，細 胞にかかる ス卜レス が小さい こと，アニオン性ゲルでは接触面積が多く ，また細 胞に存在 する正電荷 と相互作 用できる ためと考えられる．テンプレート
効果によ って，細 胞との相 互作用が変 化するこ とは，本 研究によって初めて示された重要な結果で ある．
ゲルのテ ンプレー ト効果を さらに検討 するため に，血管 内皮細胞のゲルヘの接着性のテンプレー 卜効果に ついて検 討した．血 管内皮細 胞が，ガ ラスに対して合成したポリスチレ
ンス ル ホ ン酸 ナ 卜リ ウ ム ゲル (pNaSSゲル ）上でよ く吸着し ，紡錘状 に伸展す るが，同 じ
条件 で ア クリ ル 板に 対 し て合 成 した pNaSSゲ ル に はほ と んど 接着 しないこ とを明ら かにした．ゲ ル表面ゲ ル表面の 性質をテン プレート 効果によ って変化させることで，同じ化学種で異な る細胞接 着性を実 現させるこ とに成功 した．血 管内皮細胞は，吸着した表面に対して接着 夕ンパク 質を吸着 させ，細胞 骨格で張 カを働か せることによって扁平で伸展した形態 を保持し ているた め，1）疎水 性基盤で 合成した ゲル表面 は柔軟で あるため ，力学的に形態を 維持でき ない，2） 接着夕ンバク質の吸着量が異なる，という理由が考えられる．
テンプレ ート効果 によって ，疎水性表 面に対し て形成さ れたゲル表面は，柔軟で，架橋度の低い 構造をと ると考え られていた が，その 直接的な 証明はなかった．本研究では，さらに，夕 ンパク質 のゲルヘ の濃度分配 量，ゲル 中の拡散 係数を測定することでその網目の構造を評 価するこ とを試み た．空間的 分解能を 有し，拡 散係数と濃度を同時に測定可能な
螢光 相 関 分光 法 をゲ ル 系 には じ めて 応 用 した ． 血清 ア ル プミ ンのPNaSSゲ ル中の拡 散係
数・分配 係数はゲ ルの濃度 の増加に伴 い減少レ たが，ア クリル板で合成されたゲルではガラスに対 して合成 されたゲ ルよりも大 きい値を 示した． このことから，疎水性基盤に対して合成さ れたゲル は，架橋 密度が小さ く，自由 末端鎖の 存在する柔軟な構造であることが確認され た．
第6章 では，懸 濁液中で 混合された ，酵母プ 口卜プラ ストと種 々の荷電 状態・疎 水性の高分了の 相互作用 について ，細胞の生 存率およ び細胞へ のポリマーの吸着量の測定から検討し た．/二オ ン性・ア ニオン性高 分子は細 胞の生存 率を変化 させなか ったが， カチオン性の 高分子の 多くは電 荷濃度10‑5Mとい う低濃度 から細胞 を破壊し た．この 結果はゲ ル上のタバコ プ口トプ ラストの 挙動と対応 している ．破壊速 度は高分子の濃度・荷電密度・疎水性の増 大に伴い 増大した ．電荷密度 の高い主 鎖荷電型 カチオン性高分子では，低濃度から吸着し 始めるが 細胞の破 壊は高濃度 までみら れなかっ た．一方で，電荷密度の低いものは，吸着 が始まる と協同的 に細胞の破 壊が起こ ることが わかった．このことから，カチオ

ン性 高分子は 負に帯電 した細胞に ，静電気 カで吸着 するが，細胞膜を破壊し，分散するには 脂 質 を可 溶化 す る十 分な 疎 水性 が必 要 であ るこ と を明 らか に した ．
著者 は高分了 電解質ゲ ル中の拡散 と吸着に ついてョ 低分了・高分了・細胞を対象にして系統 的な解析 を行い， 高分子ゲル 中の拡散 現象につ いて広範囲にわたる学術的・応用的に価値 のある独 創的な知 見を得ている．よって著者はjヒ海道大学博士（理学）の学位を在学期間 短縮によ る申請で 授与される 資格があ るものと 認める．