Evaluation of mechanical environment and cell response at alveolar region for lung remodeling

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19H04444
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 90110:Biomedical engineering-related
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: SERA Toshihiro 九州大学, 工学研究院, 准教授 (40373526)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 田中 学 千葉大学, 大学院工学研究院, 教授 (20292667) ; 工藤 奨 九州大学, 工学研究院, 教授 (70306926) ; 越山 顕一朗 徳島大学, 大学院社会産業理工学研究部(理工学域), 准教授 (80467513)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 肺胞 / リモデリング / 力学環境 / 細胞応答 / 流体解析

Outline of Final Research Achievements

In this study, we investigated the mechanical environment and cell response at alveolar region for lung remodeling. To achieve this objective, we conducted (1) In situ microscopic structure measurement, (2) Evaluation of the lung epithelial cells functions, (3) Analysis of fluid structure in acinar region, and (4) Numerical analysis of alveolar wall strain. Specially, we examined the effect of mechanical stress on lung surfactant secretion and developed in vitro alveolar device in (2). Additionally, we tried the experimental fluid analysis and the numerical simulation based on acinar kinematics using high-resolution images in (3), and clarified the mechanical environment of pulmonary acinus using real model based on high-resolution images and mathematical model.

Free Research Field

生体医工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

従来肺サーファクタント分泌と力学刺激との関係が示唆されていたが、本研究により力学刺激による細胞骨格のリモデリングに伴う細胞質流動性の変化が影響していることが示唆された。また、本研究で開発した血管内皮細胞と肺胞上皮細胞の共培養デバイスは力学刺激負荷も可能であり、in vitro肺胞モデルとして社会的意義が高い。また、高分解能CT画像を用いた流体解析は、肺細葉の動態解析を再現することにより粒子輸送の高精度予測などに貢献できる。一方で、実形状モデルだけでなく数理モデルを用いた構造解析の研究により、実際の力学場だけでなく肺細葉の発生・構造メカニズムを理解することもでき学術的意義は高い。