| Project/Area Number |
22K19914
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 90:Biomedical engineering and related fields
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
中野 健 横浜国立大学, 大学院環境情報研究院, 教授 (30292642)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山本 浩司 同志社大学, 生命医科学部, 教授 (70536565)
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| Project Period (FY) |
2022-06-30 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
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| Keywords | 心筋細胞 / スフェロイド / 拍動 / 接触 / 電気的通信 / 力学的通信 / 自動能制御 / 分化促進 / iPS細胞 / 拍動エネルギー |
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| Outline of Research at the Start |
心筋細胞の拍動の同期は、細胞間の電気的通信により生じることが知られている。しかし、申請者の過去の研究成果によると、細胞間および組織間の力学的通信もまた重要であることが予想される。そこで、本研究では、培養心筋組織間の力学的接触状態を厳密に規定可能なバイオリアクタを開発し、「心筋組織間の力学的通信が拍動状態の重要な決定因子である」という仮説を直接的に立証するとともに、心筋組織間の同期拍動を誘起する力学的接触条件を把握する。同条件を参考に定めた力学的接触条件下で心筋組織を培養し、それらの自動能に及ぼす力学的通信の影響を探索的に調査して、細胞エネルギー代謝の高効率化と細胞分化促進への指針を得る。
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| Outline of Annual Research Achievements |
心筋細胞の拍動の同期は、細胞間の「電気的通信」により生じることが知られている。しかし、申請者の過去の研究成果によると、細胞間および組織間の「力学的通信」もまた重要であることが予想される。そこで、本研究では、培養心筋組織間の力学的接触状態を厳密に規定可能なバイオリアクタを開発し、「心筋組織間の力学的通信が拍動状態の重要な決定因子である」という仮説を直接的に立証するとともに、心筋組織間の同期拍動を誘起する力学的接触条件を把握する。同条件を参考に定めた力学的接触条件下で心筋組織を培養し、培養した心筋組織の自動能に及ぼす力学的通信の影響を探索的に調査して、細胞エネルギー代謝の高効率化ならびに細胞分化の促進を目指す技術応用展開への指針を得る。
本年度はまず、前年度取得可能となった単一スフェロイドの変形状態と電気―機械的拍動特性に関する基礎データに基づき、課題となった電位計測プローブ先端の平坦度や接触角度に対する見直しを行い、細胞外電位の信号取得精度の改善を行った。これにより、接触変形に伴う細胞外電位変化と拍動力変化における相互相関や、FPDcFおよびEMwなどの不整脈リスク指標の評価が可能となった。次に、圧縮速度に伴う接触面積と拍動エネルギーの関係に着目し、評価装置の設計および計測を実施した結果、同一接触面積において拍動速度の増加に伴い拍動エネルギーが上昇するという知見を得た。また、スフェロイド同士を接触させた実験では、Ca2+蛍光プローブによる輝度解析において、接触位置の判定を可能とするプログラムの作成を行い、接触位置の変化を考慮した画像解析に関する検討を行った。一方、長時間接触を伴う培養では、スフェロイド同士の融合が想定より早く進み、接触状態と代謝エネルギーの関係性については、培養時間や培養環境に関する検討課題が見つかった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2023年度は、前年度問題になった電位計測用のプローブ先端周りの諸問題を解決でき、心筋スフェロイドの変形状態と臨床や薬剤スクリーニングで用いられている不整脈リスク指標(FPDcFやEMw)の関係を評価可能とした。これらの成果をまとめ現在論文の投稿準備中である。次に、二つのスフェロイド接触におけるCa2+の画像解析に関しては、接触位置の変動を補正可能なプログラムの作成により、輝度解析精度の改善を行った。また前年度計画段階にあった、接触に伴う物性変化の計測において、粘弾性を考慮した圧縮速度による影響を評価可能な装置の作製を行い、評価を実施した。また、接触力学の次元削減法を利用して、心筋スフェロイドの自発的な拍動を表現する基礎モデルを構築した。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度は大きく二つの課題を想定している。一つ目は、心筋スフェロイドの接触位置における細胞を中心として、Ca2+伝播や代謝エネルギー変化に関する時空間情報（接触面内の伝播や接触面の法線方向への伝播）を細胞ライブイメージングによって取得することである。これにより、圧縮により拍動エネルギーが変化するメカニズムの解明や、電気－機械特性変化の関係を明らかにすることを目指す。本実験は同志社大学グループが有する高速共焦点スキャナユニット(CSU-W1, 横河電機)上で計測できる装置を作製することによって達成する予定である。二つ目は、接触変形に伴うスフェロイド内の分化や代謝エネルギー変化の評価である。二つのスフェロイドの融合問題が解決しないときは、分化度合の異なる単一スフェロイドに対する圧縮量をパラメータとしてPCRや免疫染色によって評価することを予定している。
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