2018 Fiscal Year Annual Research Report
Technology to Regulate Stem Cell Functions via Dynamic Modulations of Microenvironments
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17H00855
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
田中 求 京都大学, 高等研究院, 特任教授 (00706814)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉川 洋史 埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (50551173)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | バイオメカニクス / 幹細胞制御 / 細胞微小環境モデル / 細胞接着 / 細胞変形・遊走 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では幹細胞微小環境モデルの動的変化を用いて幹細胞の機能(分化・自己複製)を制御する新しい技術基盤の開拓を目指している。
(WP1)「化学的刺激による造血幹細胞の自己複製と遊走の制御」では、「臨床薬の作用機序を造血幹細胞の変形と運動の時空間パターン（動的表現型）によって識別する」という成果（Monzel,... Ho, and Tanaka, Sci. Rep. (2018)）をさらに大きく発展させ、これらの実験結果を定量的に再現する数理モデルを確立した（Ohta,... Ho, and Tanaka, Sci. Rep. (2018)）。
(WP2)「物理的刺激による間葉系幹細胞の自己複製と分化の制御」では、連携研究者中畑と開発した「弾性率を動的に可逆変化できるヒドロゲル基板」を用いて、一か月にわたって9割近くの間葉系幹細胞の多分化能を維持できること、また硬さを周期的に変化させることによって幹細胞の自己複製を抑制できることを示した（Linke, Nakahata,.. Tanaka, 論文準備中）。
(WP3)「細胞間接着を使った幹細胞の多能性維持」では、細胞接着が弱いナノファイバー上では多能性遺伝子が維持されることを報告した（Wu,.. Tanaka, Liu, Stem Cell Rep. (2018)）。また連携研究者長谷川らとともに、上記ヒドロゲル基板上でヒトhiPS細胞が接着・コロニー形成する過程を追跡、多能性遺伝子の維持も確認した。
これに加え、表面のトポグラフィーを自在に変調できる基板を用いた筋芽細胞の制御（Linke,. Suzuki,.. Tanaka, Langmuir (2018)）や、ナノ集光した放射線を用いて凍結細胞内部の化学組成を25nm精度で定量計測するという走査型X線蛍光顕微鏡によるイメージングにも成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
2年目である平成30年度は、昨年度確立した細胞微小環境モデルや細胞力学計測手法をフルに活用して、研究代表者である田中が指揮をとり、各研究分担者および連携研究者と協力して、幹細胞の自発的変形と運動の新たな知見に関してそれぞれの系において大きな成果を挙げることができた。特筆すべき成果としては造血幹細胞にケモカインなど外部因子が与える影響を定量記述する数理モデルの確立が挙げられる。また、当初は計画していなかった「表面トポグラフィーを可逆的に変調できる基板を用いた細胞の動的応答」や「細胞内の化学組成の空間分布をナノメータ精度で画像化する」といった成果を挙げるなど、いくつかのテーマでは申請時の研究計画を超えて研究を展開することができた。また本研究課題の推進に当たっては昨年度から引き続き技術補佐員を雇用することで、細胞の拡大培養や細胞微小環境モデルの作成など、効率的に研究を推進する体制を既に整えている。
研究組織内の連携を進める中で、多能性幹細胞の安定培養などいくつかの課題が明らかとなったが、これらの課題に対応するため研究組織内で議論・試行を十分に行うことで、当初の研究計画に大きな変更を加えることなく研究を推進することができると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
上述のように、本研究課題は非常に順調に進捗しており、最終年度である今年度は各WPについて以下のような方策で研究をさらに展開していく。
(WP1)骨髄微小環境において重要な細胞接着分子であるNカドヘリンの阻害剤を用いて、造血幹細胞の接着・変形・遊走を精密測定する。造血幹細胞の自己複製培養技術の基盤創出の第一歩として造血幹細胞の対称・非対称な自己複製過程をタイムラプス顕微鏡観測により明らかにする。
(WP2)硬さを自在に変調できるヒドロゲル基板上での間葉系幹細胞の多分化能の維持について、実際に骨分化や脂肪細胞への分化の検証を行う。基板の動的な弾性率変化に対する応答メカニズムを明らかにするために、細胞が自発的に生み出す牽引力の力場解析を行うことで細胞の力学的応答機構に関する理解を深める。
(WP3) 硬さを自在に変調できるヒドロゲル基板上でのヒトiPS細胞の培養のため、間葉系幹細胞に比べよりナイーブなiPS細胞の機能を損なわないマイルドな化学刺激を探索する。基板の接着性がiPS細胞の多能性に与える効果を定量計測して、ヒト多能性幹細胞の精密制御・精密解析技術の基盤創出を目指す。
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[Journal Article] Low Cell-Matrix Adhesion Reveals Two Subtypes of Human Pluripotent Stem Cells.2018
Author(s)
Yu, L.; Li, J.; Hong, J.; Takashima, Y.; Fujimoto, N.; Nakajima, M.; Yamamoto, A.; Dong, X.; Dang, Y.; Hou, Y.; Yang, W.; Minami, I.; Okita, K.; Tanaka, M.; Luo, C.; Tang, F.; Chen, Y.; Tang, C.; Kotera, H. & Liu, L.
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Journal Title
Stem Cell Reports
Volume: 11
Pages: 142-156
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Dynamic Contact Guidance of Myoblasts by Feature Size and Reversible Switching of Substrate Topography: Orchestration of Cell Shape, Orientation, and Nematic Ordering of Actin Cytoskeletons.2018
Author(s)
Linke, P.; Suzuki, R.; Yamamoto, A.; Nakahata, M.; Kengaku, M.; Fujiwara, T.; Ohzono, T.* & Tanaka, M.*
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Journal Title
Langmuir
Volume: special issue
Pages: -
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] HIV-1 Nef Disrupts CD4+ T Lymphocyte Polarity, Extravasation, and Homing to Lymph Nodes via Its Nef-Associated Kinase Complex Interface.2018
Author(s)
Lamas-Murua, M.; Stolp, B.; Kaw, S.; Thoma, J.; Tsopoulidis, N.; Trautz, B.; Ambiel, I.; Reif, T.; Arora, S.; Imle, A.; Tibroni, N.; Wu. J.; Cui, G.; Stein, J. V.; Tanaka, M.; Lyck, R. & Fackler, O. T.
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Journal Title
J. Immunol
Volume: 201
Pages: 2731-2743
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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