Basic research on the production of basic artificial organ skeletons and on the mass production and quality improvement

2024 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 22K19566
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 55:Surgery of the organs maintaining homeostasis and related fields
• Research Institution: Nagasaki University
• Principal Investigator: Matsumoto Keitaro 長崎大学, 医歯薬学総合研究科(医学系), 教授 (80404268)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 朝重 耕一 長崎大学, 医歯薬学総合研究科(医学系), 客員研究員 (70457547) ; 中山 功一 佐賀大学, 医学部, 教授 (50420609) ; 李 桃生 長崎大学, 原爆後障害医療研究所, 教授 (50379997) ; 山本 郁夫 長崎大学, 海洋未来イノベーション機構, 教授 (10392953) ; 永安 武 長崎大学, 医歯薬学総合研究科(医学系), 教授 (80284686) ; 土肥 良一郎 長崎大学, 病院(医学系), 助教 (00817786) ; 谷口 大輔 長崎大学, 病院(医学系), 助教 (20773758) ; 宮崎 拓郎 長崎大学, 病院(医学系), 講師 (00584749)
• Project Period (FY): 2022-06-30 – 2025-03-31
• Keywords: 臓器再生 / 気道 / ３Dプリンター / 平滑筋 / iPS細胞

Outline of Final Research Achievements

We developed an efficient smooth muscle differentiation protocol using bone marrow- and adipose-derived stem cells, and successfully achieved large-scale production of differentiated smooth muscle cells. Additionally, a smooth muscle differentiation protocol was established using iPSC-derived mesenchymal stem cells to fabricate tubular structures. These were three-dimensionally constructed using a bio-3D printer and applied to transplantation experiments in small animal models of the trachea, esophagus, and anal sphincter. The effect of mechanical stimulation (shaking) on spheroid differentiation and extracellular matrix production was evaluated based on mechanobiological principles. Furthermore, the effects of perfusion using a bioreactor on tubular structure shape retention, spheroid fusion, and extracellular matrix distribution were analyzed.

Free Research Field

臓器再生、呼吸器外科

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では、骨髄・脂肪・iPS由来幹細胞からの平滑筋分化プロトコルを確立し、分化型平滑筋細胞を大量に作製する技術を開発した。さらに、バイオ3Dプリンターを用いて管腔型平滑筋構造体を立体構築し、小動物の気管・食道・肛門括約筋への移植実験に応用した。加えて、メカノバイオロジー理論に基づき、震盪刺激やバイオリアクター灌流の有無が分化や細胞外マトリックス産生に与える影響を評価した。これらの成果は、再生医療における平滑筋組織の再構築法として学術的意義が高く、特に括約筋機能不全や気管狭窄といった難治性疾患への新たな治療戦略として、社会的意義も大きい。