2015 Fiscal Year Annual Research Report
メカニクスとトポロジーの複合化による細胞分化制御メカニズム
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15H01800
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
牛田 多加志 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (50323522)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
古川 克子 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90343144)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 細胞分化制御 / トポロジー / 引張応力 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまでの私ども研究により基質表面の格子のグリッド間の距離を変化させることにより骨髄性幹細胞の分化がコントロールされることや，グリッドが存在することでグリッド上の細胞接着班およびRhoA/ROCK pathwayにより強い活性化が見られることや，グリッドの高さを変化させることにより細胞接着班の３次元的な位置がスイッチングすることを見出した．この知見をベースにトポロジカルな表面として矩形以外の微小形状を有する表面を創製した．具体的には，表面にマイクロオーダーの矩形，三角波，半円といった曲面を有するトポロジカル表面を製作した．このトポロジカルな表面を作製するためには，通常のMEMS技術では実現が困難なため，既に開発済みの単光子と２光子を一つの造形システムの中に組み込むことによりマイクロオーダーの造形とナノオーダーの造形を複合化させたマルチフォトン３次元造形技術を利用した．
一方，細胞内シグナル可視化のための引張応力負荷装置については，対物レンズとして水浸レンズを用い，さらに２個のステッピングモータを用いて引張応力を負荷するシステムを構築した．また，引張応力が負荷された細胞のＸＹ位置を対物レンズの視野内に留めるアルゴリズムの開発を進めた．具体的には，予備微小引張により得た位置情報変化のデータを基にひずみ負荷による培養細胞の位置の変化を推定し，位置補正データをＸ－Ｙステージに入力するアルゴリズム，ひずみ負荷によるＺ方向のずれを基質材料のポアソン比から推定し対物レンズに装着されたピエゾ素子にＺ軸方向の位置補正データを入力するアルゴリズムを組み合わせた．
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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
平成２７年度においては，下記の２つの研究計画を実施した．１つは細胞分化コントロールのためのトポロジカル表面の創製である．開発したマルチフォトン３次元造形技術を用い，材料表面にマイクロオーダーの矩形，三角波，半円といった曲面を有するトポロジカル表面を製作した．この表面をモールドとして，ＰＤＭＳに転写し，転写した表面をプラズマ処理，細胞接着因子コーティングを行うことにより，矩形，三角波，半円，それぞれの表面パターン上で細胞が培養可能であることが確認された．一方，細胞分化コントロールのための引張応力負荷技術の開発においては，細胞内シグナル可視化のためのＸ－ＹおよびＺ軸方向の位置制御アルゴリズムを開発した．このアルゴリズムを用いることにより，引張応力負荷下の培養細胞をリアルタイムで観察することが可能となった．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成２７年度に実施した細胞分化コントロールのためのトポロジカル表面の創製，および細胞分化コントロールのための引張応力負荷技術の開発の成果をもとに，それらを複合化させる．具体的には，引張応力負荷においては伸縮性素材であるPDMSを用いてトポロジカル表面を持つ材料を作製し，表面プラズマ処理，細胞接着因子のコーティングを施す．トポロジカル表面自体の作製はMEMS技術またはマルチフォトン３次元造形技術によって作製されたモールドをPDMSに転写することにより作製する．このようにして細胞接着機能を持ち，かつトポロジカル表面を持つ高分子素材を引張応力負荷システムに組み込むことにより，メカニクスとトポロジーの両ファクターの複合化を実施する．また，トポロジカルな表面で培養された細胞に引張応力を負荷するという，トポロジカル表面から惹起されるシグナルと物理刺激により惹起されるシグナルとを複合化させ，その複合したシグナルが細胞分化に如何に効果を及ぼすかを検証する．引張応力下における細胞のシグナル伝達の可視化のためには，平成２７年度に開発されたシステムを用いる．このシステムにおいては，正立型の顕微鏡に装着した水浸レンズを用いるためPDMSなどの不透明材料上の細胞シグナルを可視化することができる．シグナル伝達の可視化における具体的なターゲットは，細胞接着班を構成する分子であるintegrin, vinculin, zyxinを検討する． た本研究におけるキーファクターであるアクチンについてはGFP-actinやDS-Red-zyxinの細胞内再構築の他，アクチンに負荷されているテンションについて，既報のFRETを用いる方法を適用する．
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Research Products
(9 results)
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[Presentation] 材料表面トポロジーによるMSCの骨芽細胞分化コントロール2015
Author(s)
古川克子，Seo Chang,Heonuk Jeong,Yue Feng,Kevin Montagne,Yuji Suzuki,牛田多加志
Organizer
第42回日本臨床バイオメカニクス学会
Place of Presentation
ソラシティカンファレンスセンター（東京都文京区)
Year and Date
2015-11-13 – 2015-11-14
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[Presentation] Cyclic Stretching Promoted cAMP Production in Human Endometrial Stromal Cells Leading to Differentiation into Smooth Muscle Cells,2015
Author(s)
Jeonghyun Kim, Kevin Montagne,Yasushi Hirota, Takehiro Hiraoka, Osamu Yoshino, Masayo Yokota, Shigeru Saito, Yutaka Osuga, Takashi Ushida, Katsuko S Furukawa
Organizer
第42回日本臨床バイオメカニクス学会
Place of Presentation
ソラシティカンファレンスセンター（東京都文京区)
Year and Date
2015-11-13 – 2015-11-14
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[Presentation] Cyclic Stretching of Human Endometrial Stromal Cells Promotes Their Differentiation into Smooth Muscle Cells,2015
Author(s)
Jeonghyun Kim, Yasushi Hirota, Takehiro Hiraoka, Osamu Yoshino, Kevin Montagne, Masayo Yokota, Shigeru Saito, Yutaka Osuga, Takashi Ushida, Katsuko S Furukawa,
Organizer
The 8th Asian-Pacific Conference on Biomechanics,
Place of Presentation
Hokkaido University（北海道札幌市）
Year and Date
2015-09-16 – 2015-09-19
Int'l Joint Research
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