【研究分野】生体医工学・生体材料学

【研究領域課題番号】17H04735 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

メカノバイオロジー / メカニカルストレス / 可視化 / 音響波 / 生物物理 / レーザー / カルシウムイメージング / 生体医工学 / 生物・生体工学 / 細胞・組織 / 応用光学

【研究成果の概要】

本研究では，HzからkHz（1000分の1秒に相当）の力学刺激を細胞へと負荷するための実験システム，およびMHz（100万分の1秒に相当）からサブGHz（10憶分の1秒に相当）の力学刺激を細胞へと負荷するための実験システムの開発を行いました．それぞれのシステムにおいて，細胞応答として細胞内カルシウムイオン濃度を計測することが可能です．開発したシステムにより細胞を刺激し，カルシウムイオン濃度の変化を確認しました．

【研究の社会的意義】

生体は様々な力学刺激に応答することが知られていますが，非常に短い時間で生じる力学刺激に対してどのような応答を示すのか，調べる方法はありませんでした．本研究では，高速な力学刺激が生体の基本単位である細胞に及ぼす影響を調べるツールを開発しました．これにより，力学刺激を用いた予防医療や再生医療への応用，特に超音波など高い周波数での力学刺激を利用した安全・安心な治療技術の確立に貢献することが期待されます．

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2017-04-01 - 2020-03-31

【配分額】26,390千円 (直接経費: 20,300千円、間接経費: 6,090千円)

【研究分野】設計工学・機械機能要素・トライボロジー

【研究領域課題番号】17H01244 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

トライボロジー / 関節潤滑 / 超潤滑 / 細胞・組織 / 関節軟骨 / 関節液 / 生体分子 / 生物・生体工学 / 生体高分子 / 張潤滑

【研究成果の概要】

関節軟骨によく似た性質を持つ柔軟材料（ハイドロゲル）を軟骨モデルとして用い，生体関節の摩擦を小さくし，滑らかな動きを可能にしている超潤滑メカニズムの詳細を探求した．その結果，関節液に含まれるヒアルロン酸とリン脂質の複合体が優れた潤滑機能を発揮し摩擦を低減すること，軟骨を形成する細胞外基質とこれらの成分が結びつくことで潤滑機能が更に高まること，さらに軟骨組織に含まれる水が上記の成分による潤滑機能の形成に重要な役割を果たしていることを明らかにした．

【研究の社会的意義】

この研究から得られる成果には3つの意義が存在すると考える．一つ目は，生体関節の潤滑メカニズムを解明する基礎科学的意義．二つ目は，関節潤滑の破綻による変形性関節症の発症メカニズムについて新しい知見を与える臨床医学的意義，三つ目は，柔軟で透水性を有する高含水ハイドロゲルを摩擦材とし，生体高分子類似の分子構造を有する水溶性潤滑剤を用いた，画期的な超潤滑しゅう動システム開発につながるシーズ技術研究としての工学的意義である．

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2017-04-01 - 2021-03-31

【配分額】45,110千円 (直接経費: 34,700千円、間接経費: 10,410千円)

【研究分野】生物機能・バイオプロセス

【研究領域課題番号】16H02419 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生体医工学 / 再生医療 / 内分泌組織 / ハイドロゲル / 多孔質担体 / 移植 / 血流 / 灌流培養 / 移植デバイス / 内分泌 / 医用化学工学 / 生物・生体工学 / 人工臓器 / 細胞・組織 / 血管配備

【研究成果の概要】

ピラー状シートを鋳型とし、あらたに開発したゼラチンメタクリレート(GelMA)とヒドロキシエチルメタクリレート（HEMA）共重合体ハイドロゲルを光重合により作成することにより、生分解性の持つハイドロゲルマイクロウエルの開発に成功した。さらにこのゲルウエルでMIN6-m9のスフィロイド培養に成功し、得られたスフィロイドは二次元培養よりもインスリン分泌量が増加し、in vivo試験でもラット肝臓表面に貼付移植後10日後もインスリン分泌能を持つことを示した。このゲルマイクロウエルに流路部を具備したユニバーサルデバイスを開発し、ラット腹部大静脈への移植し、血流導入試験を実施した。

【研究の社会的意義】

内分泌系組織再生の進歩を実現するためには，血中物質濃度を常時センシングしながら血中に迅速にホルモンを分泌できるよう，再生組織に豊富に血流を導入する必要がある．様々な組織において，シート状再生組織は臨床への道筋が見えてきたものの，血管網を具備した厚み1 mm以上のサイズの組織をin vitroで再生した後，移植で血流を導入することは，究極的な目標であるにも関わらず依然として技術的道筋が立っていない．本研究では、内分泌組織の中でも膵島にターゲットを絞り、生体内に移植可能な膵島スフィロイドを作成可能なハイドロゲルマイクロウエルと、血流を導入可能な流路構造を持った新たな移植プラットフォームを実現する。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2016-04-01 - 2020-03-31

【配分額】44,200千円 (直接経費: 34,000千円、間接経費: 10,200千円)

【研究分野】環境影響評価

【研究領域課題番号】26550046 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

細胞・組織 / 生物・生体工学 / 環境 / 薬学 / 培養モデル / ナノ粒子 / 肺吸収 / 経肺吸収 / 肺胞 / 上皮細胞 / マクロファージ / 面密度

【研究成果の概要】

二重底培養器 (カルチャーインサート) 内にラット初代培養細胞のみを用いて肺胞上皮細胞と肺胞マクロファージによる共培養を形成した肺胞組織モデルを確立した．第二に，肺胞近傍の各組織を一定容量，一定濃度の液体の「箱」とみなす“コンパートメントモデル”を用いて，コンパートメント間のナノ粒子の移行速度を濃度の一次に依存するとした物質収支式で記述することにより，組織モデルの定量結果に基づく数理シミュレーションを行い，ナノ粒子の肺胞部における局在性と血中移行性について検討を行った。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2014-04-01 - 2017-03-31

【配分額】3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)

【研究分野】医用生体工学・生体材料学

【研究領域課題番号】22680037 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

マイクロ流体デバイス / 肝臓 / 血管 / 生物・生体工学 / マイクロ・ナノデバイス / 細胞・組織

【研究成果の概要】

近年の再生医療において複雑な三次元臓器の再生技術が求められている。特に、毛細血管を含む三次元複合組織の再生が課題であり、本研究は生体工学の立場から三次元肝細胞組織に毛細血管を導入する血管化の技術を検討した。具体的には、微細加工技術によって作製したマイクロ流体デバイスを用いることで細胞周囲の微小環境(流れ、細胞配置など)を時空間的に調節し、肝細胞組織と毛細血管の相互作用を明らかにし、三次元肝組織の血管化に重要な因子を見出した。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2010 - 2012

【配分額】25,870千円 (直接経費: 19,900千円、間接経費: 5,970千円)

【研究分野】医用生体工学・生体材料学

【研究領域課題番号】22650108 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

細胞・組織工学 / マクロ組織極性 / 移植・再生医療 / 再生医学 / 細胞・組織 / 生物・生体工学 / 肝細胞 / 胆管上皮細胞 / 球状凝集体 / 胆管 / 組織工学 / 極性 / スフェロイド / 胆管ネットワーク

【研究成果の概要】

機能的胆管ネットワークを保持した肝組織構築を最終目的として,ラット胎児肝細胞とラット成熟胆管上皮肝細胞からなる三次元球状凝集塊を,invitroで形成させたところ,後者を前者の3倍混合した凝集体で,連続的かつ機能的な胆管ネットワークが凝集塊全体に形成されることを確かめた.さらに,形成した球状凝集塊を,マトリゲルに浸したポリ乳酸不織布担体に包埋して免疫不全マウスの腸管膜上に移植したところ,胆管上皮細胞への分化能力を持つ胎児肝細胞の凝集塊では胆管構造が全く形成されなかったのに対し,invitroで成熟胆管上皮細胞を混合した凝集塊では,胆管ネットワーク構造が安定的に維持された.以上,成熟した胆管上皮細胞の存在が胆管ネットワーク形成に極めて重要な役割を果たすことを明らかとした.

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2010 - 2012

【配分額】3,440千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 540千円)

【研究分野】流体工学

【研究領域課題番号】22360082 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バイオ流体力学 / マイクロ流体 / 血管内皮細胞 / せん断応力 / 循環器病 / 流体工学 / マイクロ・ナノデバイス / 生物・生体工学 / 細胞・組織 / 循環器・高血圧 / マイクロPIV / 内皮細胞

【研究成果の概要】

動脈硬化や脳梗塞、心筋梗塞などと言った循環器系疾患の原因解明のために、血管の表面の細胞である内皮細胞を、マイクロ流路内でせん断応力を負荷しながら培養する方法を検討し、培養方法を確立した。高速共焦点マイクロPIVシステムを用いて被写界深度を浅くすることにより空間分解能を大幅に向上させ、細胞表面近傍の速度分布を求める計測法を開発した。また、蛍光粒子画像から細胞の3次元形状を推定する手法を開発し、速度分布との比較を行った。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2010 - 2012

【配分額】17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円)

【研究分野】生物機能・バイオプロセス

【研究領域課題番号】22246101 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

医用化学工学 / マルチスケール血管網配備 / 膵島 / 肝 / 三次元造形 / 人工赤血球 / 肝組織 / 流路ネットワーク / 組織ユニット / 移植 / 再生医療 / 組織工学 / 細胞 / 生物・生体プロセス / 再生医学 / 組織 / 移植・再生医療 / 細胞・組織 / 生物・生体工学

【研究成果の概要】

移植用の膵島や肝組織の人工的構築の方法論確立を目標として，細胞の三次元化とマルチスケール物質交換性の確保の視点から，細胞組織体を高密度にランダム充填する小チャンバーと，それらに培養液・血液を均一に分配するマクロ流路構造を持つ担体構造を提案，レーザー焼結積層造形法によって担体を作成した．細胞組織体として肝細胞凝集体を固定化した灌流培養では，長期に安定した高機能を得た．さらに組織構築用に細胞への毒性が少ないヘモグロビンを利用する人工赤血球の開発に成功した．

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2010-04-01 - 2015-03-31

【配分額】46,930千円 (直接経費: 36,100千円、間接経費: 10,830千円)

【研究分野】神経・筋肉生理学

【研究領域課題番号】20500368 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生理学 / 生物物理 / 細胞・組織 / 生物・生体工学 / 生体分子

【研究成果の概要】

スターリングの心臓法則は、心筋サルコメアの発生張力が伸展によって増大するという「筋長効果」に基づいている。本研究において申請者らは、筋長効果の程度が細いフィラメントの協同性と逆相関していることを見出した。また、実験的に得られた結果を、Ca^<2+>依存性の細いフィラメントのON-OFFスイッチ機構と格子間隔を組み入れたモデルによって、定量的にシミュレートすることに成功した。これらの結果は、Frank-Starling機構が細いフィラメントの協同性によって制御されていることを示している。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2008 - 2010

【配分額】4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)

【研究分野】医用生体工学・生体材料学

【研究領域課題番号】16200033 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生物・生体工学 / 再生工学 / 細胞・組織 / 不整脈 / 細胞培養 / 光学測定 / 電極アレイ / 電気刺激 / 再生医療

【研究成果の概要】

近年、「再生医工学」が注目を集めており,遺伝子導入した心筋組織にペースメーカとしての機能を持たせようとする試みなどが進められている。研究の推進には心筋細胞や心筋組織、再生した組織も含めて総合的に機能評価を行う技術の確立が重要である。本研究では、光学計測系と電気刺激・信号計測系とを融合した心筋組織機能評価システムの確立を目標に光学計測系と電気刺激・信号計測系とを融合した以下の心筋組織機能評価システム開発を行った。
(1)光学的膜電位計測とリアルタイムフィードバック電気刺激の組み合わせによる心臓興奮伝播制御システム
(2)培養心筋細胞、幹細胞系に対する集積化電極基板・光学信号統合計測システム
高時間/空間分解能を有する光学計測システムと、多点微小電極による電位マッピングシステムを組み合わせ、動物摘出心標本上において、画像として興奮現象を捉えつつ、興奮波面の進行に同期して任意の時相(脱分極相〜再分極相〜静止電位相)に電気刺激を印加、Make/Break興奮を誘発可能なシステムを開発した。
細胞レベルの電気活動計測には集積化電極基板を導入した。フォトリソグラフィを利用して製作した.電極基板は64個のマイクロ電極(サイズ30x30μm,電極間距離180マイクロμm)を有し、各点での電気信号記録と刺激が可能である。この計測系を冷却CCDによる顕微鏡画像取得システムと結合することにより、電気・光信号融合計測システムとして構成した。
心筋細胞は新生ラットからその心室筋を採取して単離培養を行った。培養開始後3日目から拍動現象が認められ、この活動が成長と共に広範囲に渡る同期拍動現象へと発展していくこと、拍動が活動電位の発生と同期していることを確認した。光学信号は、fluo-4染色による細胞内Ca濃度変動測定を試み、これについても基本的には活動電位発生との同期現象であることを確かめた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2004 - 2006

【配分額】49,400千円 (直接経費: 38,000千円、間接経費: 11,400千円)