2018 Fiscal Year Annual Research Report
Study on the effects of the mechanical environment of the cell nucleus on the radiation resistance of cells
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17H02077
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| Research Institution | Ibaraki University |
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Principal Investigator |
長山 和亮 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 教授 (10359763)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
坂元 尚哉 首都大学東京, システムデザイン研究科, 准教授 (20361115)
菅原 路子 千葉大学, 大学院工学研究院, 准教授 (30323041)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 細胞バイオメカニクス / メカノバイオロジー / 細胞骨格 / 細胞核 / 細胞計測・操作 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，核内外の力学的な「場」の変化が，DNAにどのように作用し，細胞の放射線耐性を生み出しているのか，そのメカニズムの解明を目指している．研究2年目となる今年度は，前年度に確立した「(1)繰返伸展刺激による細胞骨格と細胞核の結合の操作」と「(2)微細加工基板を用いた細胞核への直接的変形負荷」により，DNAの凝集状態を操作する手法のブラッシュアップと，逆にDNAを解放する効果を検討に着手した．(1)として，シリコーンゴムのシート上で上皮細胞，維芽細胞，血管平滑筋細胞を培養して，伸展率10%，周期数0.5Hzの繰返引張刺激を12時間負荷した．いずれの細胞でもアクチン細胞骨格が一様に再配列して発達し，細胞内の張力が静置培養群に比べて増加した．これらに紫外線を照射した後に，DNAの損傷部分をリン酸化ヒストンH2AX抗体を用いた免疫蛍光染色にて評価すると，繰返伸展刺激を負荷したいずれの細胞群でも有意にDNA損傷が抑制されることが分かった．一方で，繰返伸展刺激の負荷時間をごく短くすると，アクチン細胞骨格の構造が不安定となり，核への圧縮力が低減してDNA損傷の抑制効果も低減する可能性が示唆された．
(2)として，微細円柱（マイクロピラー）を配列させた培養基板を用いて細胞を培養すると，核の側面が顕著に圧縮された．このとき，核内分子の移動・拡散が制限され，細胞増殖が抑制されると共に紫外線由来のDNA損傷を著しく抑制できることが分かった．一方で，腫瘍由来のがん細胞株では，核を顕著に変形させても細胞増殖は抑制されず，紫外線由来のDNA損傷の抑制も見られなかった．原子間力顕微鏡を用いて腫瘍由来のがん細胞株の核の力学特性を計測したところ，正常組織由来の細胞に比べて核が極めて軟らかく，変形を受けても核内の応力上昇が低いことが示唆され，これらが核内DNAの紫外線耐性に関与することが示唆された．
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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
当初の予定どおり，前年度に構築した「(1)力学刺激による細胞骨格と細胞核の結合の操作」と「(2)細胞核への直接的変形負荷」両側面での実験系を使って，複数種の細胞を使って実験に展開し，ＤＮＡ損傷の抑制効果に関するデータを蓄積できた．さらに，力学刺激の負荷時間を調整することで，逆にＤＮＡ損傷を受けやすい状態にすることもできるといった興味深い知見が得られ，本技術を応用展開できる可能性がより広がった．また，正常細胞と腫瘍由来細胞での放射線感度の違いに関する基礎データも蓄えることができ，最終年度に向けた準備が十分に整った．
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| Strategy for Future Research Activity |
紫外線由来のＤＮＡ損傷と共にＸ線由来のＤＮＡ損傷への影響に展開しながらＤＮＡの物理的凝集による損傷抑制のメカニズムを明らかにしていく．まず，研究分担者の坂元准教授らの協力を得て，核内分子の動きやすさとＤＮＡ凝集度を定量的に評価するために核内へ微粒子をインジェクションし，その挙動を精密解析する系を準備する．また，現有するレーザアブレーション系を使って核内構造体を切断し，力を解放したときの挙動から，核内ので引張・圧縮の応力状態を定量化していく．繰返伸展刺激を始めとした力学刺激を細胞組織に負荷し，核内の残留応力や粘性状態の変化と，ＤＮＡ損傷の抑制効果との関わりを可能な限り明らかにしていく．得られた力学データを研究分担者の菅原准教授に提供し，核内応力シミュレーションに展開することで力学的視点からの紫外線・放射線耐性メカニズムを探る．
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