Investigation of compression-induced mechanosignaling in human dermal fibroblasts

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K18424
• Research Institution: Nippon Medical School
• Principal Investigator: 松永 宜子 日本医科大学, 大学院医学研究科, 研究生 (20868781)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: メカノバイオロジー / 圧刺激 / 線維芽細胞 / ケロイド / 肥厚性瘢痕

Outline of Annual Research Achievements

伸展刺激や圧刺激がコラーゲン産生や血管新生を誘導して創傷治癒を加速する治療方法を開発した先行研究を参考に、本研究では、自ら産生した細胞外基質に取り囲まれアクチンに富んだ線維芽細胞において、細胞頂上面からの力学的刺激依存的な細胞の増殖・分化の制御機構を解明し、生体の恒常性維持機構を調べる。さらに、その破綻によるコラーゲン線維の過剰産生が引き起こすケロイドや肥厚性瘢痕などの病因についても検討する。
種々の炎症メディエーターとして，皮膚の過度な周期的伸展を負荷する物理的刺激，および，アレルギー反応や炎症の発現を介在するヒスタミンやATPなどの薬剤刺激にフォーカスし，NHDF細胞の種々の刺激に対する細胞変形や遊走・運動などの細胞動態や，刺激に伴う上流の応答として細胞内Ca2+動員や細胞外K+放出が生じると考えた。そこでここでは，細胞の中でエネルギー物質として働く一方で過剰量存在すると炎症メディエーターとして作用することから，過度な伸展刺激による影響を特に調べた。
例えば、過度な伸展刺激の実験では、I型コラーゲンコートした伸展可能なシリコーン製チャンバーに正常ヒト皮膚線維芽細胞（NHDF）を播種した後，伸展率20%で5秒おきに1秒間30回の伸展を繰り返して炎症時を模し、細胞動態を顕微鏡で観察した。その結果、細胞形態として著しく急激な細胞の収縮が観察された。一方、最近インフラマソーム（炎症反応を惹起するための細胞内タンパク質複合体）の阻害剤として注目されているβ-ヒドロキシ酪酸 （25 mM）を測定開始10分前にあらかじめ共存させて同様に伸展を繰り返しても、顕著な細胞収縮は少なからず観察された。すなわち、過度な伸展刺激による持続的な細胞の形態変化の抑制はβ-ヒドロキシ酪酸では十分抑制されなかった。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

物理的刺激としてこれまで知られている過度な伸展刺激（ストレッチ）、炎症メディエーターとして比較的高濃度のATPやヒスタミンを添加した場合のCα2+応答よりもK+チャネル開口が観察された。
圧刺激においても、定圧刺激を含め、K+チャネル開口イメージングにシフトしたため。
また、K+チャネル開口抑制剤による実験も加えて、再現性の実験が必要になってきたため。

Strategy for Future Research Activity

本研究では、ヒト皮膚線維芽細胞(NHDF)に対して持続的な圧刺激が過度なコラーゲン産生する作用機序およびその結果としてケロイドを発症 する病因の解明を目的とする。
申請者が所属する日本医科大学形成外科メカノバイオロジー・メカノセラピー研究室は、生体内環境において伸展刺激や圧刺激がコラーゲン産生や血管新生を誘導して、創傷治癒を加速する治療方法を開発し、細胞を取り囲む力学的環境が創傷治癒に多大な影響を与えることを明らかにした。 本デバイスから照射される圧刺激にともなって培養細胞に生じる過度な応答を制御することを目的として、1)NHDF細胞を活性化する過剰な 圧刺激の条件(照射圧強度・照射時間など)のスクリーニング、2)それを抑制する作用機序を引き続き検討する。K+チャネル開口抑制剤としてβ-ヒドロキシ酪酸などで効率的な阻害を検討する。

Causes of Carryover

同一培養細胞の継代、同一条件でのイメージングを続けており、想定よりも消耗品を最小限で実施できたため。