2020 Fiscal Year Research-status Report

Generation of cell-based hydrogels as supra-functional materials

Research Project

Project/Area Number	19K22223
Research Institution	Konan University
Principal Investigator	長濱宏治甲南大学, フロンティアサイエンス学部, 准教授 (00551847)
Project Period (FY)	2019-06-28 – 2022-03-31
Keywords	ハイドロゲル / 自己修復材料 / スマートマテリアル / バイオミメティク材料
Outline of Annual Research Achievements	アジド化筋芽細胞とDBCO修飾アルギン酸分岐構造体をクリック反応させ、細胞架橋ゲルを作製した。同じ内容の細胞ゲル同士を培地中で重ねておくと、ゲル同士は自発的に接着することを発見した。細胞ゲル同士の接着強度は594kPaと定量した。細胞ゲルの接着機構として、ゲル界面の細胞がもつカドヘリンによる細胞間結合形成が想定されるため、検証した。カドヘリンの発現タイプが筋芽細胞と異なる白血球細胞でゲルを作製し、筋芽細胞ゲルとの接着性を調べた結果、接着しなかった。カドヘリンによる細胞間結合形成はカルシウムイオン依存性であるため、カルシウムイオン濃度を変化させて接着強度を調べた結果、カルシウムイオン濃度の減少に伴い接着強度は減少した。これらの結果より、細胞ゲルの接着機構として、カドヘリンを介した細胞間結合の関与が示唆される。そこで、免疫染色法により、接着した細胞ゲル界面のカドヘリンの状態を観察した結果、上に位置するゲルの細胞と下に位置するゲルの細胞の重なりが多く見られ、重なっている部分にN-カドヘリン抗体由来の蛍光が見られることから、ゲル界面の細胞同士がゲル間でカドヘリンを用いた細胞間結合を形成することが確認できた。以上の結果より、細胞ゲル同士の接着する要因はカドヘリンを介した細胞間結合だと結論付けた。次に、細胞ゲルを細かい断片に細断し、それらを重ね合わせることで自己修復が起こるのか調べた。その結果、細断した細胞ゲルはもとのひと塊の形状に快復し、自己修復能力を示した。細胞ゲルでは、細胞が高分子ネットワークと共有結合により繋がれているため、ゲル界面の細胞が細胞間結合を形成すると、細胞間結合がゲル断片同士の架橋点となりゲルが再結合したと考えられる。以上、ゲル内の細胞応答をゲルネットワークを介して拡張させ、ゲル全体の機能として発現させるシステムの構築に成功し、本課題の目的の一部を達成した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason R2年度では、細胞ゲル内の細胞が示す反応や応答を網羅的に解析し、細胞ゲル内の細胞が示すどのような反応や応答が、ゲルに動的応答や創発機能を発現させる起源となるのか理解することを目的としていたが、新型コロナウイルスによる制限により、学生の協力を得ることが難しく、細胞ゲル内の細胞が示す反応や応答の一部しか解析できず、解明した一部の細胞応答を活用したゲルへの機能付与しか達成できなかった。以上より、R2年度は計画の一部のみの達成に終わり、やや遅れていると自己評価した。
Strategy for Future Research Activity	期間延長し、引き続き、細胞ゲル内の細胞が示す反応や応答を網羅的に解析し、細胞ゲル内の細胞が示すどのような反応や応答が、ゲルに動的応答や創発機能を発現させる起源となるのか理解する。解析する予定の細胞反応や応答の一部を以下に示す。細胞遊走：タイプラプス撮影により細胞ゲル内での細胞移動距離を定量解析し、遊走性を調べる。また、サイトカインの添加による細胞の化学走性も調べる。細胞の分化：間葉系幹細胞を用いて細胞ゲルを作製し、分化誘導因子の添加による細胞の分化特性を免疫染色法により調べる。さらに、細胞ゲルが発現する動的応答や創発機能の全容、および発現機構の解明を目的に、上記の細胞反応や応答を起源として、細胞ゲルがどのような動的応答や創発機能を発現するのか探索する。また、動的応答や創発機能が発現する機構を解明し、動的応答や創発機能を制御する手法を見出す。想定している起源（細胞の反応や応答）と連動して発現する動的応答や創発機能の一部を以下に示す。・細胞ゲル内の細胞の遊走や化学走性を起源として発現する「ゲルの自律運動」および「ゲルの自発移動」・細胞ゲル内の幹細胞の筋分化および筋線維形成を起源として発現する「ゲルの自律的な物性変換」および「ゲルの自律的な膨潤&収縮」
Causes of Carryover	新型コロナウイルスの影響を受け、研究活動に制限が生じ、また学生の協力を得にくい状態が継続したため、実験を実施する時間が十分に取れず、実験で使用する消耗品費を執行できなかった。また、学会や研究打合せがすべてオンラインで実施されたため、出張旅費を執行しなかった。同じ理由で学生の学会発表や研究補助の機会も激減し、謝金を執行しなった。本課題は期間延長して次年度も実施するため、今年度に使用しなかった助成金に関しては、多くの実験を実施して予定以上の成果を上げるための実験用物品費、上げた研究成果を国内外で発表する学会出張旅費、英語の学術論文として投稿発表するための費用、研究補助をしてくれた学生への謝金などとして使用する。