Activity of immune cells cultured in the three-dimensional environment based on a fucoidan-containing nanofiber

Abstract

Fucoidan, which is a sulfated polysaccharide purified from brown algae, has been explored for various immunomodulatory effects, such as antigen absorption promotion, as well as anti-inflammatory, antiviral, and anti-tumor properties. Cells cultured in a two-dimensional (2D) environment exhibit differences from those in an in vivo environment. To better reflect in vivo conditions, nanofiber scaffolds in a three-dimensional (3D) environment similar to the in vivo environment are being developed. Among the scaffold types, polyvinyl alcohol (PVA) is used. PVA is a synthetic polymer possessing excellent properties, such as biocompatibility and biodegradabilit y, that is used for many purposes. This study aimed to investigate the activity of immune cells against fucoidan and identify the cytokines secreted from activated immune cells in 3D nanofibers, mimicking the in vivo environment, and further compare the differences between immune cells cultured in a 3D versus 2D environment. Conventionally, nanofibers are fabricated in a 3D environment by electrospinning. PVA nanofibers containing fucoidan were fabricated using fucoidan purified from the brown algae Fucus vesiculosus. By measuring the activity of immune cells treated to known concentrations of fucoidan, the appropriate fucoidan concentration was determined. To investigate the activity of immune cells through fucoidan in nanofibers, cells were cultured in fucoidan-PVA nanofibers, and the culture date of cells was determined on the basis of their activity. Next, the secretion of cytokines from immune cells cultured in fucoidan-PVA nanofibers was measured, and it was found that fucoidan induces and activates CD86 expression in immune cells, which also secrete the cytokines TNF-α, IL-6, and IL-1β. These findings demonstrate that the activity of immune cells cultured in 3D nanofibers can be used to examine the effects of fucoidan.

후코이단은 갈조류에서 정제된 황산화 다당류이며 항원 흡수 촉진, 항염증, 항바이러스 및 항종양 효과 등 다양한 면역 조절 효과에 대해 연구되고 있다. 본 연구는 체내 유사 환경인 3차원 나노섬유에서 후코이단에 대한 면역세포의 활성과 활성화된 면역세포에서 분비되는 사이토카인을 알아보고, 3차원 환경과 2차원 환경에서 배양된 면역세포의 차이를 비교하는 것을 목표로 한다. 2차원 환경에서 배양된 세포는 생체 내 환경과 약간의 차이가 있는데 이를 보완하기 위해 체내 환경과 비슷한 3차원 환경의 나노섬유 지지체가 개발되고 있다. 그 중 생체 적합성과 생분해성 등 우수한 특성과 다양한 용도로 활용되고 있는 합성 고분자 polyvinyl alcohol (PVA)을 이용한다. 3차원 환경의 나노섬유를 제작하기 위해 전기방사(electrospinning)를 이용하고 갈조류 Fucus vesiculosus 에서 정제된 후코이단 (Fucoidan)을 사용하여 후코이단을 함유한 polyvinyl alcohol (PVA) 나노섬유를 제작한다(이하 Fucoidan-PVA). 후코이단을 농도별로 처리하여 면역세포의 활성도를 측정한 후, 후코이단의 적정 처리 농도를 결정한다. 나노섬유에서 후코이단을 통한 면역세포의 활성을 알아보기 위하여 Fucoidan-PVA 나노섬유에서 세포를 배양하고 세포의 활성도를 바탕으로 세포의 배양일을 결정한다. 그 후 Fucoidan-PVA 나노섬유에서 배양된 면역세포에서 분비되는 사이토카인을 측정한다. Fucoidan-PVA 나노섬유에서 후코이단은 면역세포의 CD86 발현을 유도하여 활성화시키고 TNF-α, IL-6, IL-1β 사이토카인을 분비시킨다. 이를 바탕으로 3차원 나노섬유에서 배양된 면역세포의 활성은 후코이단에 대한 효과 연구에 활용될 수 있다.