Non-destructive assessment of cell differentiation via wettability and extracellular matrix

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18KK0416
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 田中 信行 国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, 研究員 (00724692)
• Project Period (FY): 2019 – 2021
• Keywords: 濡れ性 / 細胞外マトリックス / コラーゲン / 微小形態 / 共焦点レーザー顕微鏡 / 多光子励起顕微鏡 / 原子間力顕微鏡

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、応募者が世界で初めて実現した細胞組織濡れ性評価法と海外共同研究者が独自に開発した空間的・力学的細胞外マトリックス動態評価法を用いて、細胞分化時のダイナミックに変化する濡れ性とマトリックス動態から細胞の品質を非破壊的に評価することを目的としている。
本年度は、スイス連邦工科大学チューリッヒ校に渡航し、国際共同研究の一環として細胞外マトリックス動態評価法の習熟を進めた。特に、細胞外マトリックスの中で最も豊富に含まれる糖タンパク質であるコラーゲンを対象として、その微小形態の制御と解析を行った。コラーゲンは繊維状の形態を有し、細胞側の膜タンパク質を介して細胞接着に関与するタンパク質であり、繊維化など微小形態のコントロールが比較的容易であるという特徴がある。このことから、細胞外マトリックスの動態を人為的に調節しやすいモデルとして利用できると考えた。コラーゲンは、酸性液中ではモノマーとして存在するが、中性液中ではコラーゲン分子が束のようになり比較的大きな構造をとる。微小形態は、超撥水・超親水表面構造に見られるように濡れ性に影響を及ぼすと考えられ、さらに細胞の微小環境の一因として細胞接着など様々な機能に影響する。実験を通じて、溶液のｐＨコントロールを通じて、コラーゲンのモノマーから繊維化への転移を確認している。また共焦点レーザー顕微鏡、多光子励起顕微鏡および原子間力顕微鏡による観察をそれぞれ実施し、コラーゲン繊維の検出及び形態解析を進め、コラーゲン繊維の微小形態を再現性よく制御できることを確認した。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

細胞外マトリックス動態を再現性良く人為的に制御することに成功し、スムーズに濡れ性評価を実施できる見込みができたため。

Strategy for Future Research Activity

細胞外マトリックスの微小形態が細胞動態にまで影響を及ぼすことが知られており、本研究においては、濡れ性、細胞外マトリックス、細胞の３要素を結ぶ科学的洞察が必要である。これまでのところ、水が物質とよくなじむ水和現象が核となっていると予想しており、この点に踏み込んだ研究を推進していく予定である。

Research Products

• [Journal Article] Flow analysis on microcasting with degassed polydimethylsiloxane micro-channels for cell patterning with cross-linked albumin (2020)
  • Author(s): Shen Yigang、Tanaka Nobuyuki、Yamazoe Hironori、Furutani Shunsuke、Nagai Hidenori、Kawai Takayuki、Tanaka Yo
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 15 Pages: e0232518
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0232518
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Characterization of the Hydration Process of Phospholipid-Mimetic Polymers Using Air-Injection-Mediated Liquid Exclusion Methods (2020)
  • Author(s): Katayama Risa、Tanaka Nobuyuki、Takagi Yusuke、Shiraishi Kohei、Tanaka Yo、Matsumoto Akikazu、Kojima Chie
  • Journal Title: Langmuir Volume: 36 Pages: 5626～5632
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.0c00953
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] User‐friendly cell patterning methods using a polydimethylsiloxane mold with microchannels (2020)
  • Author(s): Funano Shun‐ichi、Tanaka Nobuyuki、Tanaka Yo
  • Journal Title: Development, Growth & Differentiation Volume: 62 Pages: 167～176
  • DOI: 10.1111/dgd.12637
• [Journal Article] An ultra-small fluid oscillation unit for pumping driven by self-organized three-dimensional bridging of pulsatile cardiomyocytes on elastic micro-piers (2019)
  • Author(s): Tanaka Nobuyuki、Yamashita Tadahiro、Yalikun Yaxiaer、Amaya Satoshi、Sato Asako、Vogel Viola、Tanaka Yo
  • Journal Title: Sensors and Actuators B: Chemical Volume: 293 Pages: 256～264
  • DOI: 10.1016/j.snb.2019.04.087
• [Journal Article] In-situ detection based on the biofilm hydrophilicity for environmental biofilm formation (2019)
  • Author(s): Tanaka Nobuyuki、Kogo Takeshi、Hirai Nobumitsu、Ogawa Akiko、Kanematsu Hideyuki、Takahara Junko、Awazu Akane、Fujita Nobuko、Haruzono Yoshihide、Ichida Shunji、Tanaka Yo
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 9 Pages: 8070
  • DOI: 10.1038/s41598-019-44167-6
• [Journal Article] Simple Isolation of Single Cell: Thin Glass Microfluidic Device for Observation of Isolated Single <i>Euglena gracilis</i> Cells (2019)
  • Author(s): OTA Nobutoshi、YALIKUN Yaxiaer、TANAKA Nobuyuki、SHEN Yigang、AISHAN Yusufu、NAGAHAMA Yuki、OIKAWA Minoru、TANAKA Yo
  • Journal Title: Analytical Sciences Volume: 35 Pages: 577～583
  • DOI: 10.2116/analsci.18p568
• [Presentation] 新規濡れ性試験AILE法を用いたMPCポリマー被覆表面の膨潤挙動の解析 (2020)
  • Author(s): 児島 千恵, 片山 里紗, 田中 信行, 田中 陽, 白石 浩平, 松本 章一
  • Organizer: 第69回高分子年次大会
• [Presentation] ハイドロゲルの表面粘着性に影響する因子 (2020)
  • Author(s): 高穎, 秋元文, 田中信行, 李シャン, 柴山充弘, 太田裕治, 小野田実真, 春園嘉英, 田中陽, 吉田亮
  • Organizer: 第69回高分子学会年次大会
• [Presentation] Liquid holes on bio-surfaces (2019)
  • Author(s): Nobuyuki Tanaka
  • Organizer: JSPS Bilateral Programs ETH-KEIO Joint Seminar
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 非接触濡れ性評価システムを用いたMPCポリマーコーティング表面の濡れ性及び膨潤挙動評価 (2019)
  • Author(s): 片山里紗, 児島千恵, 田中信行, 田中陽, 白石浩平, 松本章一
  • Organizer: 第18回高分子表面研究討論会
• [Presentation] 非接触濡れ性評価システムを用いた細胞膜模倣ポリマーコーティング表面の濡れ性評価 (2019)
  • Author(s): 片山里紗, 児島千恵, 田中信行, 田中陽, 白石浩平, 松本章一
  • Organizer: 第48回医用高分子シンポジウム
• [Presentation] Evaluation of wettability and swelling behaviors of zwitterionic polymers using non-contact wettability evaluation system (2019)
  • Author(s): Risa Katayama, Chie Kojima, Nobuyuki Tanaka, Yo Tanaka, Kohei Shiraishi, Akikazu Matsumoto
  • Organizer: The 8th TKU-ECUST-OPU-KIST-UH-IHU-KMITL-TNU Joint Symposium on Advanced Materials and Applications
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ハイドロゲルのトポロジー的不均一構造が表面濡れ性に及ぼす影響 (2019)
  • Author(s): 高穎, 秋元文, 田中信行, 李シャン, 柴山充弘, 小野田実真, 春園嘉英, 田中陽, Shyh-Chang Luo, Jhih-Guang Wu, 吉田亮
  • Organizer: 第31回高分子ゲル研究討論会
• [Presentation] ハイドロゲル表面濡れ性とネットワーク構造の相関解析 (2019)
  • Author(s): 高穎, 秋元文, 田中信行, 李シャン, 柴山充弘, 小野田実真, 春園嘉英, 田中陽, Shyh-Chang Luo, Jhih-Guang W, 吉田亮
  • Organizer: 第67回レオロジー討論会
• [Presentation] ハイドロゲルの表面：ダングリング鎖と濡れ性 (2019)
  • Author(s): 高穎, 秋元文, 田中信行, 李シャン, 柴山充弘, 小野田実真, 春園嘉英, 田中陽, Shyh-Chang Luo, Jhih-Guang Wu, 吉田亮
  • Organizer: 第68回高分子討論会
• [Remarks] 田中 信行 (Nobuyuki Tanaka) - マイポータル - researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/nobuyuki.tanaka
• [Remarks] 生体接触型医療機器コーティング材料の新しい評価法 | 理化学研究所
  • URL: https://www.riken.jp/press/2020/20200513_1/index.html
• [Remarks] 細胞培養用の微小デバイスをタンパク質で作製 | 理化学研究所
  • URL: https://www.riken.jp/press/2020/20200521_2/index.html
• [Remarks] マイクロ心臓を作る | 理化学研究所
  • URL: https://www.riken.jp/press/2019/20190529_1/index.html
• [Remarks] 理化学研究所 集積バイオデバイス研究チーム
  • URL: http://ibd.riken.jp/