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Cellular self-assembly driven by concentrated polymer brush-modified cellulose nanofibers

Research Project

Project/Area Number 23K23401
Project/Area Number (Other) 22H02133 (2022-2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023)
Section一般
Review Section Basic Section 35010:Polymer chemistry-related
Research InstitutionNational Institute for Materials Science

Principal Investigator

吉川 千晶  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 高分子・バイオ材料研究センター, チームリーダー (10447930)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 中路 正  富山大学, 学術研究部工学系, 准教授 (10543217)
榊原 圭太  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 研究グループ長 (20618649)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000)
Fiscal Year 2025: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
Fiscal Year 2024: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
Keywordsセルロースナノファイバー / 濃厚ポリマーブラシ / 自己組織化 / 三次元培養 / 間葉系幹細胞
Outline of Research at the Start

研究代表者らは最近、独自に開発してきた濃厚ポリマーブラシ被覆セルロースナノファイバー(CNF-CPB)が種々の細胞と自己組織化することを見出している。これは、CNF-CPBと細胞を混ぜるだけで、生体組織を自己組織的に再生できる可能性を示唆する。この事実に立脚し、本研究では「CNF-CPBと細胞との自己組織化メカニズム」をコロイド科学の観点から解明するとともに、高次構造と生体機能の相関を明らかにし、これを三次元培養法として確立する。本研究では、自己組織化体の生理的意義・有用性を明らかにするため、軟骨組織再生と創薬スクリーニングを実施する。

Outline of Annual Research Achievements

申請者らは最近、独自に開発してきた濃厚ポリマーブラシ被覆セルロースナノファイバー(CNF-CPB)が種々の細胞と自己組織化するという特筆すべき事実を見出している。この事実に立脚し、本研究課題は「CNF-CPBと細胞との自己組織化メカニズム」をコロイド科学の観点から解明するとともに、高次構造と生体機能の相関を明らかにし、これを三次元培養法として確立することを目的としている。昨年度までの研究により、CNF-CPBの化学組成・構造特性を変えることで様々な自己組織化体が得られること、高次構造に応じて細胞機能が向上することなどが明らかとなった。そこで、令和5年度は高次構造化の生理的意義、すなわちナノ繊維と細胞の自己組織化体が、生体内と同じ環境を提供できるのかを検証するため、薬効薬理試験を実施した。ここでは乳がん細胞(MCF-7)とモデル肝細胞(HepG2)を用い、それらがん細胞とCNF-CPBの自己組織化体に対し、濃度の異なる抗がん剤(Doxorubicin)を投与し、細胞増殖/細胞毒性アッセイ(WST-8またはMTT)により細胞生存率を評価した。その結果、二次元培養した細胞と自己組織化体では、IC50値に違いがみられた。この結果は高次構造化が薬効薬理に有用であることを示唆する。現在、CNF-CPBの濃度(高次構造)や抗がん剤の種類を変えて、さらなる検証を行っている。また、新たな展開として、機械学習により、細胞とナノ繊維の自己組織化過程が予測(シミュレーション)可能であることを確認した。具体的には限られた実験条件・データ量ではあるが、CNF-CPBと間葉系幹細胞が自己組織化する過程をタイムラプス顕微鏡でトラッキングし、得られる画像データを用いて、グラフニューラルネットワークの構築・学習が可能であることを検証・確認した。

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年度に予定していた研究計画をすべて実施し、新たな展開として機械学習を用いた細胞動態予測が実施できたため。

Strategy for Future Research Activity

研究計画に沿って、ナノ繊維と細胞の自己組織化体の生理的意義を検証するため、引き続き薬効薬理試験を行う。また、ナノ繊維を用いた軟骨組織再生(自己組織化体)の有効性については、動物実験により検証する。

Report

(2 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • Research Products

    (8 results)

All 2024 2023 2022

All Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 1 results) Presentation (2 results) (of which Invited: 1 results) Book (1 results)

  • [Journal Article] Graph Network-Based Simulation of Multicellular Dynamics Driven by Concentrated Polymer Brush-Modified Cellulose Nanofibers2024

    • Author(s)
      Yoshikawa Chiaki、Nguyen Duc Anh、Nakaji-Hirabayashi Tadashi、Takigawa Ichigaku、Mamitsuka Hiroshi
    • Journal Title

      ACS Biomaterials Science and Engineering

      Volume: 10 Issue: 4 Pages: 2165-2176

    • DOI

      10.1021/acsbiomaterials.3c01888

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Cellular Flocculation Driven by Concentrated Polymer Brush-Modified Cellulose Nanofibers with Different Surface Charges2022

    • Author(s)
      Yoshikawa Chiaki、Sakakibara Keita、Nonsuwan Punnida、Shobo Miwako、Yuan Xida、Matsumura Kazuaki
    • Journal Title

      Biomacromolecules

      Volume: 23 Issue: 8 Pages: 3186-3197

    • DOI

      10.1021/acs.biomac.2c00294

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Marine Antifouling Coatings Based on Durable Bottlebrush Polymers2022

    • Author(s)
      Yoshikawa Chiaki、Takagi Ryoma、Nakaji-Hirabayashi Tadashi、Ochi Toshiro、Kawamura Yasushi、Thissen Helmut
    • Journal Title

      ACS Applied Materials & Interfaces

      Volume: 14 Issue: 28 Pages: 32497-32509

    • DOI

      10.1021/acsami.2c06647

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Concentrated polymer brush-modified cellulose nanofibers promote chondrogenic differentiation of human mesenchymal stem cells by controlling self-assembly2022

    • Author(s)
      Nonsuwan Punnida、Nishijima Nanami、Sakakibara Keita、Nakaji-Hirabayashi Tadashi、Yoshikawa Chiaki
    • Journal Title

      Journal of Materials Chemistry B

      Volume: 10 Issue: 14 Pages: 2444-2453

    • DOI

      10.1039/d1tb02307a

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Cellular Flocculation Using Concentrated Polymer Brush-Modified Cellulose Nanofibers with Different Fiber Lengths2022

    • Author(s)
      Yuan Xida、Nonsuwan Punnida、Shobo Miwako、Rajan Robin、Yamazaki Tomohiko、Sakakibara Keita、Matsumura Kazuaki、Yoshikawa Chiaki
    • Journal Title

      Biomacromolecules

      Volume: 23 Issue: 3 Pages: 1101-1111

    • DOI

      10.1021/acs.biomac.1c01424

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] セルロースナノファイバーを用いた三次元培養場の開発2023

    • Author(s)
      吉川千晶
    • Organizer
      2023年繊維学会年次大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] ボトルブラシポリマーの構造制御とその生体適合性2023

    • Author(s)
      吉川千晶
    • Organizer
      第72回高分子討論会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Book] ラジカル重合ハンドブック 第5節2023

    • Author(s)
      吉川千晶
    • Total Pages
      21
    • Publisher
      NTS
    • Related Report
      2023 Annual Research Report

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Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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