超音波を用いた立体心筋組織への血管新生の促進

• Project/Area Number: 20J00337
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 90110:Biomedical engineering-related
• Research Institution: Tokyo Women's Medical University
• Principal Investigator: 今城 哉裕 東京女子医科大学, 医学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2020-04-24 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2020: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 組織工学 / 再生医療 / 超音波 / メカノトランスダクション / Tissue Engineering / 培養装置 / 血管新生

Outline of Research at the Start

本研究は超音波による細胞機能の制御技術を応用することで，生体外における立体心筋組織への血管新生の促進手法を具現化するものである．このために下記の３ステップを超音波を用いることで遂行する．①培養平面上で血管新生に適した初期位置に血管内皮細胞を配置し，心筋細胞との共培養を行う．②血管内皮細胞と心筋細胞を共培養した細胞群をシート状に剥離する．③こうして剥離した細胞シートを積層し，適切な出力の超音波照射により立体組織の血管新生を促進する．

Outline of Annual Research Achievements

本研究は再生医療における課題の一つである立体細胞組織の活性を維持し，生体外細胞組織を作製するための基盤技術・基盤知識を構築することを最終目標として実施した．具体的には超音波の照射により血管新生を促進することを目的として研究を始めた．実際に血管内皮細胞（Human Umbilical Vein Endothelial Cells：HUVEC）への超音波照射が血管新生を促進する可能性について原著論文にまとめた．具体的な内容を記す．形態観察により，コラーゲンゲル内に置いて3次元培養された血管内皮細胞に対して超音波を照射することで，細胞が管腔構造を構築すること，ネットワークを構築することを確認した．さらに，タンパク質の発現を確認することで，血管新生に関するホルモンの発現が超音波によって上昇することを証明した．その一方で，その原理は未だ不明確であったため，原理解明のため複数の研究を並行して遂行した．
超音波をはじめとした機械的な刺激をコントロール可能な細胞培養装置を開発し，立体組織の培養を行うためのプロトコル構築を行なった．具体的には，金属製の3Dプリンタを用いて機械刺激をコントロールできる培養装置を開発した．この結果をまとめた論文が本年度一報受理されている．さらに，超音波照射が培養液の流動を発生させて，その流動が細胞の活動を制御するという内容の原著論文も一報受理されている．また，培養液の灌流が3次元細胞組織の活性を向上させるという内容の論文も公表した．さらに，超音波によって細胞の遊走を制御できることも明らかにし，この成果でも論文を執筆した．このように，超音波によって血管内皮細胞の血管新生を促進できるということについて，現象論にとどまらず，原理の解明に向けた研究を複数並行して遂行した．

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] UCSD(米国)
• [Int'l Joint Research] UCSD(米国)
• [Int'l Joint Research] 延世大学(韓国)
• [Int'l Joint Research] University of Brawijaya(インドネシア)
• [Int'l Joint Research] UCSD(米国)
• [Int'l Joint Research] Yonsei University(韓国)
• [Journal Article] Metallic Vessel with Mesh Culture Surface Fabricated Using Three-dimensional Printing Engineers Tissue Culture Environment (2023)
  • Author(s): Imashiro Chikahiro、Morikura Takashi、Hayama Motoaki、Ezura Atsushi、Komotori Jun、Miyata Shogo、Sakaguchi Katsuhisa、Shimizu Tatsuya
  • Journal Title: Biotechnology and Bioprocess Engineering Volume: 28 Issue: 1 Pages: 181-191
  • DOI: 10.1007/s12257-022-0227-1
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Quantifying cell adhesion through forces generated by acoustic streaming (2022)
  • Author(s): Imashiro Chikahiro、Mei Jiyang、Friend James、Takemura Kenjiro
  • Journal Title: Ultrasonics Sonochemistry Volume: 90 Pages: 106204-106204
  • DOI: 10.1016/j.ultsonch.2022.106204
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Focused surface acoustic wave locally removes cells from culture surface (2021)
  • Author(s): Inui Takumi、Mei Jiyang、Imashiro Chikahiro、Kurashina Yuta、Friend James、Takemura Kenjiro
  • Journal Title: Lab on a Chip Volume: 21 Issue: 7 Pages: 1299-1306
  • DOI: 10.1039/d0lc01293a
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Propagating acoustic waves on a culture substrate regulate the directional collective cell migration (2021)
  • Author(s): Imashiro Chikahiro、Kang Byungjun、Lee Yunam、Hwang Youn-Hoo、Im Seonghun、Kim Dae-Eun、Takemura Kenjiro、Lee Hyungsuk
  • Journal Title: Microsystems & Nanoengineering Volume: 7 Issue: 1 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1038/s41378-021-00304-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Travelling ultrasound promotes vasculogenesis of three‐dimensional‐monocultured human umbilical vein endothelial cells (2021)
  • Author(s): Imashiro Chikahiro、Azuma Tetsuya、Itai Shun、Kuribara Taiki、Totani Kiichiro、Onoe Hiroaki、Takemura Kenjiro
  • Journal Title: Biotechnology and Bioengineering Volume: 118 Issue: 10 Pages: 3760-3769
  • DOI: 10.1002/bit.27852
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Perfusable System Using Porous Collagen Gel Scaffold Actively Provides Fresh Culture Media to a Cultured 3D Tissue (2021)
  • Author(s): Imashiro Chikahiro、Yamasaki Kai、Tanaka Ryu-ichiro、Tobe Yusuke、Sakaguchi Katsuhisa、Shimizu Tatsuya
  • Journal Title: International Journal of Molecular Sciences Volume: 22 Issue: 13 Pages: 6780-6780
  • DOI: 10.3390/ijms22136780
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Detachment of RAW264.7 macrophages from a culture dish using ultrasound excited by a Langevin transducer (2021)
  • Author(s): Kuriyama Takuma、Fukuma Yuki、Imashiro Chikahiro、Kabayama Kazuya、Kurashina Yuta、Takemura Kenjiro
  • Journal Title: Journal of Bioscience and Bioengineering Volume: 131 Issue: 3 Pages: 320-325
  • DOI: 10.1016/j.jbiosc.2020.11.003
  • NAID: 40022515123
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fundamental Technologies and Recent Advances of Cell-Sheet-Based Tissue Engineering (2021)
  • Author(s): Imashiro Chikahiro、Shimizu Tatsuya
  • Journal Title: International Journal of Molecular Sciences Volume: 22 Issue: 1 Pages: 425-425
  • DOI: 10.3390/ijms22010425
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Spheroid cell aggregation enhanced by ultrasound-based enzyme-free detached cells (2023)
  • Author(s): Van Delft Julien，今城哉裕，倉科佑太，竹村研治郎，椿圭一郎
  • Organizer: 第22回日本再生医療学会総会
• [Presentation] 金属3Dプリンターによるメッシュ型細胞シート培養容器の開発 (2023)
  • Author(s): 今城哉裕，森倉峻，羽山元晶，江面篤志，小茂鳥潤，宮田昌悟，坂口勝久，清水達也
  • Organizer: 第22回日本再生医療学会総会
• [Presentation] Development of cell counting app using two-directional macro-scale images of cell aggregates (2022)
  • Author(s): Chikahiro Imashiro, Yuta Tokuoka, Kaito Kikuhara, Takahiro G Yamada, Kenjiro Takemura, Akira Funahashi
  • Organizer: 2022 JSME-IIP/ASME-ISPS Joint International Conference on Micromechatronics for Information and Precision Equipment
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A fabrication method for in vitro tissue using traveling acoustic wave (2022)
  • Author(s): Chikahiro Imashiro
  • Organizer: International Workshop on Piezoelectric Materials and Applications in Actuators 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Engineering Thin Cell Sheets based on Vibration Mechanics and Fluid Mechanics (2021)
  • Author(s): Chikahiro Imashiro
  • Organizer: The 11th International Conference on Flexible and Printed Electronics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Contribution for SDGs by the Combination between Mechanical engineering, Bioengineering, and AI (2021)
  • Author(s): Chikahiro Imashiro
  • Organizer: International Conference on Sustainable Aquatic Resources “Application of Science and Technology in Achieving SDGs”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 東京女子医科大学 業績ページ
  • URL: https://gyoseki.twmu.ac.jp/twmhp/KgApp?resId=S037367