細胞運動の秩序を担う細胞接着斑・細胞骨格・核の力学的協調作用の解析

• Project Area: Cross-talk between moving cells and microenvironment as a basis of emerging order in multicellular systems
• Project/Area Number: 25111711
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Ibaraki University (2014); Nagoya Institute of Technology (2013)
• Principal Investigator: 長山 和亮 茨城大学, 工学部, 教授 (10359763)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥9,100,000 (Direct Cost: ¥7,000,000、Indirect Cost: ¥2,100,000); Fiscal Year 2014: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2013: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
• Keywords: バイオメカニクス / 生体・情報計測 / 細胞核 / 細胞骨格 / メカノトランスダクション

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、バイオメカニクス・メカノバイオロジー的観点から、血管などの組織内で生じている引張りや圧縮などの力に対し、細胞内の構成要素がどのような応答を見せるに注目している。特に、アクチン細胞骨格と非筋II型ミオシンを主体とする収縮性のアクチンストレスファイバと、細胞核のインタラクションの変化に着目し、細胞周囲の力学場の変化が細胞の運動・配列状態に与える影響を明らかにすることを目的とした。
最終年度である平成26年度は，弾性膜上に培養した細胞に対し、血管壁などで生じている動的な繰返引張ひずみを負荷した際の変化を調査した。ひずみ波形の違い（台形波・三角波）によって、ストレスファイバや細胞核の配向が変化すること、さらに細胞間の接着の有無や、細胞の重層化によっても全く異なる配向特性を示す興味深い結果が得られてきている。すなわち、我々のこれまでの報告も含め、ストレスファイバは、基質の垂直ひずみが最小となる方向（引張も圧縮も生じない方向。弾性膜を引っ張った場合は、引張りに対して50～70°傾いた方向）に優先的に再構築され、その方向に細胞も遊走し、細胞分裂も生じると考えられてきたが、１）細胞内のストレスファイバが圧縮される時間や、非筋II型ミオシンのリン酸化レベルに依存して、細胞配向が全く異なること、２）3次元的な細胞間接着の有無によって、引張や圧縮といった垂直ひずみだけでなく、せん断ひずみを避けるかのように細胞が形態・配向を変化させること、などが分かってきた。これらの知見は、本領域課題である細胞運動・組織形成の秩序原理の理解に繋がるだけでなく、力学場操作による組織形成技術といった応用展開へと繋がると言える。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Quantitative analysis of cellular traction forces using a micropillar substrate and estimation of the intracellular force applied to the nucleus (2015)
  • Author(s): 長山和亮
  • Journal Title: Transactions of the JSME (in Japanese) Volume: 81 Issue: 824 Pages: 14-00692-14-00692
  • DOI: 10.1299/transjsme.14-00692
  • NAID: 130005066603
  • ISSN: 2187-9761
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Multiphasic stress relaxation response of freshly isolated and cultured vascular smooth muscle cells measured by quasi-in situ tensile test (2015)
  • Author(s): K Nagayama, S Saito, T Matsumoto
  • Journal Title: Bio-Medical Materials and Engineering Volume: 26 Pages: 1-6
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Estimation of the mechanical connection between apical stress fibers and the nucleus in vascular smooth muscle cells cultured on a substrate (2014)
  • Author(s): Nagayama K, Yamazaki S, Yahiro Y, Matsumoto T.
  • Journal Title: J Biomechanics Volume: 47 Issue: 6 Pages: 1422-29
  • DOI: 10.1016/j.jbiomech.2014.01.042
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Left-right asymmetry is formed in individual cells by intrinsic cell chirality (2014)
  • Author(s): Hatori, R., Ando, T., Sasamura, T., Nakazawa, N., Nakamura, M., Taniguchi, K., Hozumi, S., Kikuta, J., Ishii, M., *Matsuno, K.
  • Journal Title: Mech Dev Volume: 133 Issue: 2 Pages: 482-95
  • DOI: 10.1016/j.ydbio.2013.07.023
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 細胞のバイオメカニクス：組織再生に向けたメカノトランスダクションの理解とその制御 (2013)
  • Author(s): 長山和亮
  • Journal Title: 人工臓器 Volume: 42-3 Pages: 205-208
  • NAID: 130003395322
• [Journal Article] Apical and basal stress fibers have different roles on mechanical regulation of the nucleus in vascular smooth muscle cells (2013)
  • Author(s): Nagayama K, Yahiro Y, Matsumoto T
  • Journal Title: Cellular and Molecular Bioengineering Volume: 6 Issue: 4 Pages: 463-481
  • DOI: 10.1007/s12195-013-0294-7
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Haemodynamically dependent valvulogenesis of zebrafish heart is mediated by flow-dependent expression of miR-21 (2013)
  • Author(s): Banjo T, Grajcarek J, Yoshino D, Osada H, Miyasaka KY, Kida YS, Ueki Y, Nagayama K Kawakami K, Matsumoto T, Sato M, Ogura T
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 4,1978 Issue: 1 Pages: 1978-1978
  • DOI: 10.1038/ncomms2978
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 細胞の機能調整に関わる核と細胞骨格の相互作用 (2015)
  • Author(s): 長山和亮
  • Organizer: 日本機械学会第27回バイオエンジニアリング講演会
  • Place of Presentation: 新潟
  • Year and Date: 2015-01-09 – 2015-01-10
• [Presentation] 細胞の力学応答解析ツールとしての磁気駆動式マイクロピラー基板の開発 (2014)
  • Author(s): 長山和亮, 井上卓也, 松本健郎
  • Organizer: 日本機械学会 2014茨城講演会
  • Place of Presentation: 日立
  • Year and Date: 2014-09-05
• [Presentation] Analysis of the Cytoskeleton-Nucleus Mechanotransduction Pathway: Direct Force Transmission from the Actin Stress Fibers to the Nucleus (2014)
  • Author(s): K Nagayama, S Yamazaki, Y Yahiro, T Matsumoto
  • Organizer: The 4th Japan-Switzerland Workshop on Biomechanics
  • Place of Presentation: Shima, Japan
  • Year and Date: 2014-09-01 – 2014-09-04
  • Invited
• [Presentation] Mechanical interaction between actin stress fibers and the nucleus: Direct force transmission from the whole-cell level to the nucleus (2014)
  • Author(s): K Nagayama, Y Yahiro, S Yamazaki, T Matsumoto
  • Organizer: The 7th World Congress of Biomechanics (WBC2014)
  • Place of Presentation: Boston, MA, USA
  • Year and Date: 2014-06-01 – 2014-07-11
  • Invited
• [Presentation] Changes in the mechanical environment of nucleus during the phenotypic changes of vascular smooth muscle cells (2014)
  • Author(s): K Nagayama, M Iwata, Y Hamaji, T Matsumoto
  • Organizer: International Symposium on Mechanobiology 2014
  • Place of Presentation: Okayama, Japan
  • Year and Date: 2014-05-20 – 2014-05-23
• [Presentation] On the Roles of Actin Stress Fibers on the Mechanical Regulation of Nucleus in Adherent Cells (2013)
  • Author(s): Kazuaki NAGAYAMA
  • Organizer: The 15th International Conference on Biomedical Engineering. (ICBME 2013)
  • Place of Presentation: Singapore
• [Presentation] Direct application of mechanical stimuli to cell adhesion sites using magnetic-driven micropillar substrates (2013)
  • Author(s): Kazuaki NAGAYAMA
  • Organizer: The 15th International Conference on Biomedical Engineering. (ICBME 2013)
  • Place of Presentation: Singapore
• [Presentation] メカノトランスダクションの解明に向けた細胞バイオメカニクス: 焦点接着斑・細胞骨格・核の力学的相互作用の解析 (2013)
  • Author(s): 長山和亮
  • Organizer: 第36回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: 神戸
  • Invited
• [Presentation] Actin cap fibers and basal stress fibers have different roles in mechanical regulation of cell nucleus (2013)
  • Author(s): Kazuaki NAGAYAMA
  • Organizer: The 7th Asian Pacific Conference on Biomechanics (APCB2013)
  • Place of Presentation: Seoul, Korea
• [Presentation] Laser Nano-Dissection for Analysis of Cellular Mechanotransduction: Direct Force Transmission from Actin Stress Fibers to Nucleus: Tensional Homeostasis of Vascular Smooth Muscle Cells (2013)
  • Author(s): Kazuaki NAGAYAMA
  • Organizer: the 35th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society
  • Place of Presentation: 大阪
  • Invited
• [Book] 細胞工学 33 (9), 922-927，(2014) (2014)
  • Author(s): 長山和亮
  • Total Pages: 102
  • Publisher: 学研メディカル秀潤社
• [Remarks] 茨城大学 工学部 知能システム工学科 長山 和亮
  • URL: http://info.ibaraki.ac.jp/Profiles/27/0002641/profile.html