【研究分野】熱工学

【研究領域課題番号】20246041 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バイオ人工肝臓 / 幹細胞 / 物質移動 / 胆管 / 毛細胆管 / 毛細血管 / 共培養 / 星細胞 / 力学的刺激 / 3次元組織構築 / 内皮細胞 / 多重層化

【研究成果の概要】

本研究の目標は、実際の肝臓の組織に近い組織構造を体外で実現し、その再構築された構造をバイオ人工臓器や再生医療へ応用するものである。本研究では、肝細胞、血管内皮細胞、及び星細胞の3種類の細胞による肝細胞組織構造が体外で再構築するプロセスを明らかにした。即ち、それぞれの細胞において生体高分子の発現とマイクロナノスケール物質移動による関わりを伴いながら、組織構築が可能になることが分かり、複合組織である肝臓再構築の可能性を見いだした。本研究における特筆すべき成果は以下の通りである。一つ目の大きな成果は、星細胞の関与に類洞構造の構築である。類洞では星細胞が細胞突起を伸ばして血管構造を裏打ちしているが、この構造を薄い生分解性ポリ乳酸-ポリグリコール酸共重合体(PLGA)多孔性薄膜の活用によって構築した。さらにPLGA多孔性薄膜が異種細胞間相互作用を促進させ,機能的な肝類洞様組織の再構築に有効な細胞足場であることが分かった。二つ目は、3次元の肝細胞組織内での血管化に成功した点である。血管化の課題は再生医療の分野では極めて困難な課題で、世界中の組織工学の研究者が血管化の実現を目指しているが、顕著な進展が無かった。本研究ではせん断応力による機械的刺激による誘導及びマイクロ流路を活用した実験で、血管化に成功した。以上のように、当該分野で困難であった課題を克服する事ができ、バイオ人工肝臓の実用化に向けて大きく前進したと言える。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2008 - 2011

【配分額】48,620千円 (直接経費: 37,400千円、間接経費: 11,220千円)

【研究分野】熱工学

【研究領域課題番号】10875050 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バイオメカニクス / 内皮細胞 / 物質移動 / 生物流体力学 / 小胞輸送 / 壁面せん断応力

【研究成果の概要】

動脈内表面に分布している内皮細胞の挙動に着目し、内皮細胞に微視的なレベルでの力学的環境を制御することによって、細胞による生理活性物質の分泌や物質の取り込みを行う.その際の細胞近傍の流れという力学的環境を明確にすることにより、物質を選択的に捉える受容体や結合部位の存在及び分布が明らかになる可能性があり、バイオメカニクスの流域では大きなインパクトを与える成果となる。そこで、本研究では、生理活性物質の分泌や物質の取込を行っている細胞の状態をレーザー共焦点顕微鏡によって捉え、その画像から細胞モデルを構築し、細胞モデル近傍の流れを顕微鏡下での流れの計測を行って、細胞への流れによる力学的刺激と機能変化との対応を付け、メカノバイオロジカル相互作用について検討を行った。実験はブタの内皮細胞を用い、内皮細胞へのアルブミンの取り込み、ミトコンドリアの活性、さらに微小管のアルブミン取り込みに対する寄与について、細胞に負荷されたせん断応力刺激との関連性に焦点を絞った。アルブミンや微小管の状態は蛍光物質の蛍光強度の画像から定量化した。その結果、アルブミンの取り込みは低せん断では促進され、高ぜん断では抑制されるという二相性を示し、ミトコンドリアの活性もそれに同調して変化した。微小管はアルブミン小胞の経路と考えられるが、微小管上をアルブミンが取り込まれる様子が二重蛍光像から得られた。

【研究種目】萌芽的研究

【研究期間】1998

【配分額】2,400千円 (直接経費: 2,400千円)

【研究分野】流体工学

【研究領域課題番号】09875051 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バイオメカニクス / 内皮細胞 / 物質移動 / ミクロ流れ / 生物流体力学

【研究成果の概要】

動脈内表面に分布している内皮細胞の挙動に着目し、内皮細胞に微視的なレベルでの力学的環境を制御することによって、細胞による生理活性物質の分泌や物質の取り込みを行う。その際の細胞近傍の流れという力学的環境を明確にすることにより、未解決のメカノレセプターの存在及び分布が明らかになる可能性があり、バイオメカニクスの領域では大きなインパクトを与える成果となる。そこで、本研究では、生理活性物質の分泌や物質の取込を行っている細胞の状態をレーザー共焦点顕微鏡によって捉え、その画像から細胞モデルを構築し、細胞モデル近傍の流れを顕微鏡下での流れの計測を行って、細胞への流れによる力学的刺激と機能変化との対応を付け、メカノバイオロジカル相互作用を明確にすることを目的とする。本研究では、ブタの培養内皮細胞に流れによる剪断応力の刺激を加えてから、細胞に取り込まれるアルブミンの量を、蛍光色素をラベルしたアルブミンを用いて測定した。アルブミンは蛍光色素と結合しているため、蛍光強度の細胞内の分布をレーザー共焦点顕微鏡によって観測することができる。その結果、細胞内に取り込まれるアルブミンの量は、負荷した剪断応力の大きさによって特異的に変化することが解った。低い剪断応力では流れの負荷を与えない場合よりも増加するが、剪断応力の高い場合は、取り込み量が減少する。このような負荷する剪断応力に応じて、アルブミンの取り込みが変化することは、流れの刺激に応じて、細胞が能動的に制御していることであり、剪断応力による刺激がどのように細胞の能動的な物質移動を制御しているか興味深い問題であり、今後大きな発展が期待される。生体における物質移動の現象の捉え方に関しては、マクロからミクロへ視点が移ることによって新しい現象が見えて来ており、マイクロバイオメカニクスという分野が展開されるであろう。

【研究種目】萌芽的研究

【研究期間】1997

【配分額】2,100千円 (直接経費: 2,100千円)

【研究分野】流体工学

【研究領域課題番号】09044180 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生物流体力学 / 細胞力学 / ミクロ流れ / バイオメカニクス / 呼吸力学 / 動脈内流れ / 物質移動 / 動脈 / 気道 / 内皮細胞 / 上皮細胞 / 力学適応

【研究成果の概要】

生体は分子細胞レベルの現象が統合されてある特定なマクロの機能を生み出している。即ち様々なレベルでの現象の条件変化に適応してある適切な生体運動を行っている。このような生体・生命活動を維持するために生体内外の流れが重要な役割を果たしている。そこで生体活動を支える流れの現象について流体力学を中心として、固体力学、生理学、細胞生物学、呼吸循環器学的視点から国内外の研究者が共同研究を行い、密接な討論及び情報交換を重ねる必要があり、国際的な共同研究を行った。平成10年8月に札幌市にて本共同研究の研究会を開催し、特に呼吸系の力学、動脈内の流れと輸送現象、内皮細胞の力受容機構に関して討論を行った。呼吸系の力学は、肺気道の開口、気道表面の界面活性剤による影響、気道内の微粒子の運動と壁への付着、気道内の振動流及びガス輸送、小気道や肺胞の力学モデルなどについて議論された。動脈内の流れでは、実際の動脈の形状や力学的性質を考慮にいれたモデルの開発、血管病変の治療を目的とした動脈内流れの解析などにように、生体側の状況を十分にとりこんだ研究が重要で、特に臨床的に有用な知見が得られるとして、臨床医学者との協力がさらに必要であるとされた。一方、内皮細胞のレベルでの微視的な現象が次第に明らかにされており、動脈の力学はまさにミクロからマクロに至る見解を統合して考えることの重要性が指摘された。この点は正に本研究の目的であり、国際的な共同研究により、生体に関わる流れの問題の捉え方に著しい進展が見られた。

【研究種目】国際学術研究

【研究期間】1997 - 1998

【配分額】13,300千円 (直接経費: 13,300千円)

【研究分野】熱工学

【研究領域課題番号】06452187 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

動脈内流れ / マイクロバイオメカニクス / 酸素輸送 / 内皮細胞 / 共焦点顕微鏡 / 動脈硬化 / 物質透過性 / アルブミン / 物質移動 / 血流

【研究成果の概要】

動脈硬化をはじめとする血管病変は、太い動脈において特定な部位に生ずるため、血液流との関連が指摘され、とくに血液と直接接触する動脈内皮細胞の物質透過性が壁面せん断力によって影響を受ける事実が最近知られてきた。そこで本研究では、内皮細胞及び血管壁内の物質輸送機能が、血流によってどのような影響を受けるかを調べるため、培養内皮細胞における酸素および高分子物質の透過の様子を微小酸素電極および共焦点レーザー顕微鏡によって調べ、細胞レベルに関するマイクロバイオメカニクス的性質及び血管病変に関する病態生理的性質を明らかにする事を目的とする。培養内皮細胞に流れによるせん断応力を負荷する装置を製作ひ、流露内を培養液で満たしかん流させて内皮細胞にせん断応力を負荷した。そこで、流れの負荷に高分子物質アルブミンの取り込みを、TRITCの色素をラベルして、色素量を共焦点顕微鏡で観測し、取り込み量を評価した。その結果、取り込み量はせん断応力の大きさによって変化し、低せん断では,流れによってアルブミン取り込み量が増加しているが、高せん断応力になると、逆に取り込み量が下がるという事実が得られた。このような結果は、これまで例がなく、世界的な論争になっている動脈硬化病変の低せん断説を裏付けるものであり、極めて重要な知見である。さらに生体組織にあける酸素濃度を微小電極で測定し、微細血管内外の酸素濃度分布の様子から生体組織における酸素輸送の新しい形態が観測できた。以上、極めて独創的な知見が得られ、バイオメカニクスや臨床生理学の分野に大きな貢献をしたと思われる。

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1994 - 1995

【配分額】7,400千円 (直接経費: 7,400千円)