Control system for autonomous cancer growth by adaptive mechanical stimulation

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 22K20417
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 森倉 峻 慶應義塾大学, 理工学研究科(矢上), 特任助教 (50963865)
• Project Period (FY): 2022-08-31 – 2024-03-31
• Keywords: 三次元癌モデル / 並列実験可能な機械的刺激印加培養装置 / ラベルフリー細胞数計測技術 / データ駆動型PID制御器

Outline of Annual Research Achievements

近年，三大疾病の一つである癌の新たな治療法として，機械刺激によって癌細胞群の制御を試みる治療法“癌メカノメディスン”が注目されている．癌メカノメディスンの実現には，時間変動する癌細胞群のダイナミクスを制御可能な機械システムの確立が不可欠である．本研究では，適応的な機械刺激の印加による生体外三次元癌モデルのサイズ制御システムを具現化し，癌メカノメディスンの実現可能性を実証することを目的とした．本システムの実現に向けては，閉ループ系の適応制御培養システムの構築が必要となる．そこで，(A)生体内の癌挙動を再現する三次元癌モデル(B)適応的な機械刺激を印加可能な自動制御アクチュエータ(C)三次元癌モデルのサイズ変化をリアルタイム計測可能なセンサ(D)適応制御を実現可能なコントローラをそれぞれ要素技術として開発し，これらを統合した適応制御培養システムの構築を目指した．
研究実施期間の前半では要素技術の開発に取り組んだ．(A)に関して，ハンギングドロップ法を用いて自己組織化させた三次元癌スフェロイドを，生体組織を模倣したType Iコラーゲンゲルに包埋することで三次元癌モデルを構築した． (B)に関して，ラチェット機構ベースの並列周期的圧縮培養装置機構を考案した．(C)に関して，蛍光標識を用いずに三次元領域内の細胞数を計測可能なラベルフリーセンサを構築した．(D)に関して，数値シミュレーションを用いてデータ駆動型PID制御器を構築し，癌モデルのサイズを減少させる刺激を適応的に印加することで，目標とするサイズに制御可能であることを数値的に示した．研究実施期間の最終年度では，これらの要素技術を統合した機械制御培養システムを構築することで，三次元癌モデルのサイズ制御システムを具現化した．