2020 Fiscal Year Annual Research Report
力学刺激の知能化によるin vitro3次元組織の超効率的成熟化
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19H01178
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
尾上 弘晃 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (30548681)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
藤田 淳 慶應義塾大学, 医学部(信濃町), 特任准教授 (10306706)
山田 貴大 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 助教 (20837736)
倉科 佑太 東京工業大学, 物質理工学院, 助教 (40801535)
舟橋 啓 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (70324548)
三浦 重徳 東京大学, 生産技術研究所, 特任講師 (70511244)
遠山 周吾 慶應義塾大学, 医学部(信濃町), 講師 (90528192)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | in vitro組織成熟化 / 力学刺激 / 単一細胞イメージング / ベイズ推定 / iPS由来心筋組織 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は，（１）単一細胞ライブイメージング可能な力学刺激装置の構築，および（２） ベイズ的最適化による3次元組織培養のオンライン制御系の構築，の2項目を実施した．項目（１）について，初年度に開発した力学刺激培養装置にライブイメージングを適用した．ファイバ状3次元組織への力学刺激は，機械的な伸長と電気的刺激による収縮の2通りの力学刺激を実施し，蛍光顕微鏡画像のタイムラプス画像より，組織の様態の変化を単一細胞レベルで画像処理によって得ることに成功した．また項目（２）について，骨格筋細胞C2C12の成熟化指標としてのアクチンの配向を成熟過程の指標として，その指標を自動的に取得できるシステムを構築した．また，この系に電気刺激を加えることで成熟化を促進し，その過程をブラックボックスと捉え，ブラックボックス最適化の手法の中で高い性能を誇るベイズ的最適化を適用するためのパラメータ抽出および実験条件を確定した．
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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
上記，研究成果の概要のとおり，2020年度初年度に掲げた研究計画について，ベイズ推定による最適化のための電気刺激骨格筋組織成熟化システムの確立，および単一細胞ライブイメージングによる3次元組織内の様態変化の計測に成功し，本研究の目的である力学刺激の知能化のためのシステムが確立できた．これにより次年度以降の具体的な組織成熟化の実験が開始可能となった．
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は以下の項目を計画している．
（１） ベイズ的最適化による3次元組織培養のオンライン制御系の構築：本年度に引き続き，ベイズ的最適化 を用いることで高効率な実験条件の探索を行う．実験の概念を実証するために，C2C12骨格筋細胞による電気刺激の系を導入し，組織の筋管形成におけるサルコメアや組織のアライメントを成熟化指標と設定し，ある刺激条件を初期値として3次元培養を開始し，一定時間経過後に取得した心筋組織のライブ画像より，(2)-1の心筋組織の成熟化指標をもとに深層学習による画像解析アルゴリズムにて成熟度評価を行う．設定した力学刺激条件と得られた成熟度の評価を元に、ベイズ的最適化を用いてより成熟度が向上する力学刺激条件を推定し，(1)-2で構築した力学刺激装置にフィードバックする．これにより知能化した組織成熟化システムの評価を行う．
(2) ヒトiPS由来心筋組織の成熟化評価： 力学刺激によるヒトiPS由来心筋組織の成熟度を，画像処理に利用した細胞形態以外の電気生理学的および分子細胞生物学的な見地から評価する．候補としては，connexinの発現の上昇による拍動伝播速度の上昇，未成熟心筋の指標となるMLC2aマーカーの減少などを検討項目とする． これらの解析は2次元平面培養した心筋細胞，心筋の細胞塊（スフェロイド組織），力学刺激を与えないファイバ状心筋組織などと比較し，ファイバ形態における力学刺激効果の評価を行う．
(3) 成熟化心筋組織の薬剤スクリーニング応用： 力学的刺激により成熟化したファイバ形状心筋組織の医療応用展開として，QT延長症候群と薬剤応答試験の評価系の構築を候補に検討する．ファイバ形状心筋組織にして成熟化させ薬剤を投与することにより，拍動数や駆動力，フィールド電位間隔（FPD）に有意な変化が認められるかを判定する．
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