Elucidation of respiratory diseases through analyses on the beating of tracheal cilia and resulting fluid flow

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K06180
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 44010:Cell biology-related
• Research Institution: Tokyo University of Science
• Principal Investigator: Masaike Tomoko 東京理科大学, 創域理工学部生命生物科学科, 准教授 (60406882)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 池上 浩司 広島大学, 医系科学研究科(医), 教授 (20399687) ; 中江 進 広島大学, 統合生命科学研究科(生), 教授 (60450409)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 粘液繊毛輸送 / 気管繊毛 / 繊毛軸糸 / 繊毛運動 / 三次元 / 粘液流 / 繊毛打

Outline of Final Research Achievements

Respiratory diseases have become major issues in modern societies. In the present research project, we evaluated the effects of microparticles on mucociliary clearance. Damages to epithelial cells by a protease papain caused leakage of ATP, which resulted in a decrease in frequency of ciliary beating. In the cases the cells are damaged further, supplementation of ATP did not cause recovery of mucociliary clearance as structures inside cells that are responsible for motility were irreversibly damaged. Next, allergy caused by ovalbumin was found to decrease frequency and asymmetry of beating, and they resulted in slow flow rate. Finally, particles of chitin tend to fall onto cilia, but sedimentation rate is attenuated by the increase in viscosity of the solution.

Free Research Field

生物物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

気管内腔と上皮内部の両側からアレルギーの原因物質が接触した場合に気管上皮に構造・機能的にどのような影響が起こるかを評価する実験系を構築することができた。この研究により微粒子の輸送速度、繊毛運動の三次元パラメーター、アレルギーの関係が明らかになる。本研究においては、直接的な細胞傷害は繊毛の脱離や運動性の低下を引き起こし、アレルギー反応も粘液繊毛輸送を低下させることが示唆された。一方、cAMP-PKAシグナル伝達経路の活性化は繊毛運動の速度と振幅を増加させるため、プロカテロールなど本シグナル伝達を活性化させる薬剤は液流形成能を向上させる効果があるのではないかと推察される。