細胞の構造観察と力学特性の同時計測用レーザ顕微鏡組込み型原子間力顕微鏡の開発

1999 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 10558126
• Research Institution: TOHOKU UNIVERSITY
• Principal Investigator: 佐藤 正明 東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (30111371)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 林 美明 オリンパス光学工業株式会社, 光学機器開発部, 課長(研究職) ; 大橋 俊朗 東北大学, 大学院・工学研究科, 助手 (30270812) ; 松本 健郎 東北大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (30209639) ; 片岡 則之 川崎医療短期大学, 医用電子技術科, 講師 (20250681)
• Keywords: 原子間力顕微鏡 / 共焦点レーザ顕微鏡 / 内皮細胞 / 力学特性 / アクチンフィラメント / せん断応力 / 有限要素法

Research Abstract

1.細胞の内部構造観察と力学特性の同時計測
固定した内皮細胞のアクチンフィラメントを観察すると同時に原子間力顕微鏡(AFM)を用いて3次元形状を計測することができた.次のステップとして生細胞において内部構造を観察するための方法として、遺伝子導入の技術を用い、GFP-アクチンベクターを準備し細胞内において発現する方法を開発した.今後この技術を利用して初期の目的の実験を行う予定である.
2.カンチレバー変位計測法の改良と流れの負荷装置の開発
前年度開発したカンチレバー変位計測法を改良し、比較的容易に計測ができるようになった.さらに、本装置を利用して流れ負荷実験ができるように、市販のディッシュに直接装着が可能なI/Oポートを開発した.ただし、現在市販のディッシュでは流量負荷実験が行えないため、特注によりガラスをディッシュ外側底面に張り付けたものを製作した.このディッシュの利用により簡便にかつ効率よく本装置の上で内皮細胞に対する流れ負荷実験が行えるようになった.その結果、流れを負荷した内皮細胞の局所力学特性をAFMによって計測したところ、硬さが上昇していることが明らかとなった.さらに、1つの細胞内の場所による硬さの違いも明確になった.
3.AFMによる細胞表面形状の計測と有限要素法による内部応力分布の解析
細胞内部におけるアクチンフィラメントの発達の要因が内部応力であるとの仮説の下に、開発したAFMを用いて流れを負荷した内皮細胞の形状を計測し、このデータから有限要素モデルを作成して細胞内部の応力解析を行った.その結果、細胞の上流側上部に応力が集中しており、細胞骨格の発達と定性的な相関が得られた.

Research Products

• [Publications] Sato M.: "Shear stress induced changes in endothelial cell stiffness measured by atomic force microscopy"Proc.Bioengineering Conterence. BMD-42. 343-344 (1999)
• [Publications] Sato M.: "Local mechanical properties measured by atomic force microscopy for cultured bovine indothelial cells exposed to shear stress"J. Biomechanica. 33・1. 127-135 (2000)
• [Publications] Sato M.: "Mechanical stress and actin filament dynamics in cultured endothelial cell"Proc. 4th Int. Symp. On Tissue Eng. For Therapeutic Use. (印刷中).