2023 Fiscal Year Annual Research Report
Novel 3D cell culture systems using cellulose nanofibers with concentrated polymer brushes
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22H02133
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
吉川 千晶 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 高分子・バイオ材料研究センター, 主幹研究員 (10447930)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中路 正 富山大学, 学術研究部工学系, 准教授 (10543217)
榊原 圭太 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 研究グループ長 (20618649)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | セルロースナノファイバー / 濃厚ポリマーブラシ / 間葉系幹細胞 / 自己組織化 / 三次元培養 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
申請者らは最近、独自に開発してきた濃厚ポリマーブラシ被覆セルロースナノファイバー(CNF-CPB)が種々の細胞と自己組織化するという特筆すべき事実を見出している。この事実に立脚し、本研究課題は「CNF-CPBと細胞との自己組織化メカニズム」をコロイド科学の観点から解明するとともに、高次構造と生体機能の相関を明らかにし、これを三次元培養法として確立することを目的としている。昨年度までの研究により、CNF-CPBの化学組成・構造特性を変えることで様々な自己組織化体が得られること、高次構造に応じて細胞機能が向上することなどが明らかとなった。そこで、令和５年度は高次構造化の生理的意義、すなわちナノ繊維と細胞の自己組織化体が、生体内と同じ環境を提供できるのかを検証するため、薬効薬理試験を実施した。ここでは乳がん細胞（MCF-7）とモデル肝細胞（HepG2）を用い、それらがん細胞とCNF-CPBの自己組織化体に対し、濃度の異なる抗がん剤（Doxorubicin）を投与し、細胞増殖/細胞毒性アッセイ（WST-８またはMTT）により細胞生存率を評価した。その結果、二次元培養した細胞と自己組織化体では、IC50値に違いがみられた。この結果は高次構造化が薬効薬理に有用であることを示唆する。現在、CNF-CPBの濃度（高次構造）や抗がん剤の種類を変えて、さらなる検証を行っている。また、新たな展開として、機械学習により、細胞とナノ繊維の自己組織化過程が予測（シミュレーション）可能であることを確認した。具体的には限られた実験条件・データ量ではあるが、CNF-CPBと間葉系幹細胞が自己組織化する過程をタイムラプス顕微鏡でトラッキングし、得られる画像データを用いて、グラフニューラルネットワークの構築・学習が可能であることを検証・確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2023年度に予定していた研究計画をすべて実施し、新たな展開として機械学習を用いた細胞動態予測が実施できたため。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究計画に沿って、ナノ繊維と細胞の自己組織化体の生理的意義を検証するため、引き続き薬効薬理試験を行う。また、ナノ繊維を用いた軟骨組織再生（自己組織化体）の有効性については、動物実験により検証する。
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