細胞機能応答の均一化とその医工学的応用

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25242039
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 佐藤 正明 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 総長特命教授 (30111371)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 出口 真次 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30379713)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: バイオメカニクス / メカノバイオロジー / マイクロパターン / 細胞内情報伝達 / バイオイメージング

Outline of Annual Research Achievements

力学環境を均一化するために、これまでに細胞の形態を人為的に操作することができるマイクロパターン技術の開発に取り組んできた。力学環境に加えて、細胞周期状態も統一して解析を行うために、研究初年度（H25年度）に細胞周期マーカーであるPremo Fucci Cell Cycle Sensorを安定発現させたヒト骨肉腫細胞U2OS細胞を樹立した。本年度（H26年度）は、解析対象である細胞応答の一つとして、細胞発生張力に注目し、それを可視化するための新しい実験系の開発に取り組んだ。本方法では発生張力の大きい平滑筋細胞を対象としたときは、張力を十分に検出できたものの、上記のU2OS細胞では比較的張力が弱く、安定して計測を行うには至っていないために、次年度も引き続き研究を行う予定である。また、もう一つの細胞応答となる、引っ張り刺激に対する細胞の形態変化を、リアルタイム観察することができる新しい実験系を開発した。これは細胞数個分に相当する小さい培養面積の特殊ゴムチャンバーを製作し、そこに微小量の引っ張りが可能なピエゾアクチュエーターを取り付けたものである。従来的な大面積のゴムチャンバーでは生理的な大きさの引っ張り刺激と共に、細胞が観察範囲から移動して同一の細胞を追跡することが困難であるのに対して、本方法では引っ張り負荷を受ける同一の細胞をタイムラグなく継続撮影することができた。今後は上記の別途開発したマイクロパターンと併用し、細胞形態や細胞周期という環境・性状を均一化したうえで、引っ張り刺激に対する応答の多様性の変化を定量化することが課題である。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初予定していた力学環境の均一化と応答解析のいずれも計画の大部分を達成している。特に、力学環境の均一化を達成するために新しい細胞マイクロパターン技術を開発し、また細胞周期を把握するための蛍光マーカーを安定発現する細胞を樹立している。さらに、細胞発生張力を可視化する技術の基礎、および、細胞の引っ張り刺激応答を持続観察できる独自実験系の試作機を開発しており、その有効性の実証に成功しつつある。

Strategy for Future Research Activity

これまでおおむね順調に研究が進展していることから、特別な方策を取る必要はないと考えている。課題として、細胞発生張力の可視化を、平滑筋細胞だけでなく、非筋細胞にも適用できるように、これまでより柔らかい基板材質を選定し、その機械的特性の評価などを経て有効性を実証することが挙げられる。また、本年度試作機を作製した引っ張り刺激時の細胞を観察する実験系を用いて、蛍光イメージングと併用し、実際に力学環境の均一化が及ぼす細胞応答への影響を調べることが課題の一つである。

Research Products

• [Journal Article] Endothelial cell response under hydrostatic pressure condition mimicking pressure therapy (2015)
  • Author(s): Yoshino, D., Sato, K. and Sato, M.
  • Journal Title: Cellular and Molecular Bioengineering Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Rho-guanine nucleotide exchange factors involved in cyclic stretch-induced reorientation of vascular endothelial cells (2015)
  • Author(s): Abiko, H., Fujiwara, S., Ohashi, K., Hiatari, R., Mashiko, T., Sakamoto, N., Sato, M., Mizuno, K.
  • Journal Title: Journal of Cell Science Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Microcontact peeling as a new method for cell micropatterning (2014)
  • Author(s): Yokoyama, S., Matsui, T.S., Deguchi, S.
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 9 Pages: e102735
  • DOI: 10.1371/journal.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Contact guidance of smooth muscle cells is associated with tension-mediated adhesion maturation (2014)
  • Author(s): Saito, A.C., Matsui, T.S., Ohishi, T., Sato, M., Deguchi, S.
  • Journal Title: Experimental Cell Research Volume: 327 Pages: 1-11
  • DOI: 10.1016/j.yexcr.2014.05.002.
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Traction force microscopyについて (2015)
  • Author(s): 出口真次
  • Organizer: 第9回メカノセンシング研究会
  • Place of Presentation: 九州大学（福岡県・福岡市）
  • Year and Date: 2015-03-10 – 2015-03-11
• [Presentation] 培養細胞の収縮力の可視化 (2015)
  • Author(s): 出口真次
  • Organizer: 第9回NIBBバイオイメージングフォーラム
  • Place of Presentation: 岡崎コンファレンスセンター（愛知県・岡崎市）
  • Year and Date: 2015-01-26 – 2015-01-27
  • Invited
• [Presentation] 細胞収縮力のアッセイ技術 (2015)
  • Author(s): 出口真次、横山奨、松井翼、加藤輝
  • Organizer: シンポジウム：細胞アッセイ技術の現状と将来
  • Place of Presentation: 東京大学（東京都）
  • Year and Date: 2015-01-13 – 2015-01-13
• [Presentation] 非筋細胞内細胞骨格分子の動態イメージング (2015)
  • Author(s): 松井翼、出口真次
  • Organizer: 第27回バイオエンジニアリング講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ（新潟県・新潟市）
  • Year and Date: 2015-01-09 – 2015-01-10
• [Presentation] ストレスファイバーの方向依存的脱重合のメカニズムに関する研究 (2015)
  • Author(s): 黄文敬、松井翼、倉賀野正弘、高橋正行、川原知洋、佐藤正明、出口真次
  • Organizer: 第27回バイオエンジニアリング講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ（新潟県・新潟市）
  • Year and Date: 2015-01-09 – 2015-01-10
• [Presentation] 細胞は外部力学刺激に対してどのように応答するか (2014)
  • Author(s): 佐藤正明
  • Organizer: 第４４回日本創傷治癒学会
  • Place of Presentation: ホテルメトロポリタン仙台（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2014-12-02 – 2014-12-03
  • Invited
• [Presentation] コンフルエントな細胞における収縮力分布の可視化 (2014)
  • Author(s): 出口真次、横山奨、松井翼
  • Organizer: 第37回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県・横浜市）
  • Year and Date: 2014-11-25 – 2014-11-27
• [Presentation] 繰り返し伸展刺激依存的な血管内皮細胞の配向に関わるRho-GEFの同定と機能解析 (2014)
  • Author(s): 増子寿弥、藤原佐知子、近藤洋志、安彦日和、佐藤正明、大橋一正、水野健作
  • Organizer: 第37回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県・横浜市）
  • Year and Date: 2014-11-25 – 2014-11-27
• [Presentation] Force microscopy developed for screening studies on cultured cells (2014)
  • Author(s): Deguchi, S., Yokoyama, S., Matsui, T.S.
  • Organizer: The 62nd NIBB Conference, Force in Development
  • Place of Presentation: 岡崎コンファレンスセンター（愛知県・岡崎市）
  • Year and Date: 2014-11-17 – 2014-11-19
• [Presentation] Active biophysical properties of cells and subcellular components (2014)
  • Author(s): Deguchi, S.
  • Organizer: 2014 International Symposium on Micro-Nano Mechatronics and Human Science
  • Place of Presentation: 名古屋大学（愛知県・名古屋市）
  • Year and Date: 2014-11-09 – 2014-11-12
  • Invited
• [Presentation] What is the molecular mechanism of stress fiber disassembly caused by mechanical cyclic stretch? (2014)
  • Author(s): Huang, W-J., Matsui, T. S., Kuragano, M., Takahashi, M., Kawahara, T., Sato, M., Deguchi, S.
  • Organizer: 第52回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター（北海道・札幌市）
  • Year and Date: 2014-09-25 – 2014-09-27
• [Presentation] A novel cell micropatterning technique to circumvent direct adsorption of proteins to PDMS (2014)
  • Author(s): Yokoyama, S., Matsui, T.S., Deguchi, S.
  • Organizer: The 4th Japan-Switzerland Workshop on Biomechanics
  • Place of Presentation: 志摩観光ホテル（三重県・志摩市）
  • Year and Date: 2014-09-01 – 2014-09-04
• [Presentation] Load-dependent contractile force generation of actin stress fibers (2014)
  • Author(s): Matsui, T.S., Sato, M., Deguchi, S.
  • Organizer: The 4th Japan-Switzerland Workshop on Biomechanics
  • Place of Presentation: 志摩観光ホテル（三重県・志摩市）
  • Year and Date: 2014-09-01 – 2014-09-04
• [Presentation] Force balance in mesenchymal cells revealed by new traction force microscopy (2014)
  • Author(s): Deguchi, S., Yokoyama, S., Matsui, T.S., Araki, T., Ohishi, T.
  • Organizer: The 4th Japan-Switzerland Workshop on Biomechanics
  • Place of Presentation: 志摩観光ホテル（三重県・志摩市）
  • Year and Date: 2014-09-01 – 2014-09-04
• [Presentation] Low shear stress enhances migration of human mesenchymal stem cell (2014)
  • Author(s): Sato, M.
  • Organizer: The 4th Japan-Switzerland Workshop on Biomechanics
  • Place of Presentation: 志摩観光ホテル（三重県・志摩市）
  • Year and Date: 2014-09-01 – 2014-09-04
  • Invited
• [Presentation] Effects of hydrostatic pressure on vascular endothelial morphology and function (2014)
  • Author(s): Yoshino, D., Sato, K., Sato, M.
  • Organizer: The 4th Japan-Switzerland Workshop on Biomechanics
  • Place of Presentation: 志摩観光ホテル（三重県・志摩市）
  • Year and Date: 2014-09-01 – 2014-09-04
• [Presentation] Interfering with nucleus-actin filament binding in endothelial cells exposed to cyclic stretching (2014)
  • Author(s): Sakamoto, N., Anno, T., Chubachi, S., Deguchi, S., Sato, M.
  • Organizer: 7th World Congress of Biomechanics
  • Place of Presentation: ボストン (米国)
  • Year and Date: 2014-07-06 – 2014-07-11
• [Presentation] 細胞が発生するTraction forceの簡易な可視化 (2014)
  • Author(s): 出口真次、横山奨、松井翼、荒木智彦、大石泰己
  • Organizer: 第66回日本細胞生物学会大会
  • Place of Presentation: 奈良県新公会堂（奈良県・奈良市）
  • Year and Date: 2014-06-11 – 2014-06-13
• [Presentation] ストレスファイバーの単離過程における成分分析 (2014)
  • Author(s): 松井翼、佐藤正明、出口真次
  • Organizer: 第37回日本バイオレオロジー学会年会
  • Place of Presentation: 大宮ソニックシティビル 市民ホール（埼玉県・大宮市
  • Year and Date: 2014-06-05 – 2014-06-06
• [Presentation] An alternative method for traction force microscopy (2014)
  • Author(s): Deguchi, S., Yokoyama, S., Matsui, T.S., Araki, T., Ohishi, T.
  • Organizer: International Symposium on Mechanobiology 2014
  • Place of Presentation: 岡山大学（岡山県・岡山市）
  • Year and Date: 2014-05-20 – 2014-05-23
• [Presentation] Mechanobiology of endothelial cells focusing on subcellular mechanical field (2014)
  • Author(s): Sato, M.
  • Organizer: International Symposium on Mechanobiology 2014
  • Place of Presentation: 岡山大学（岡山県・岡山市）
  • Year and Date: 2014-05-20 – 2014-05-23
  • Invited
• [Presentation] Biophysical properties of single actin stress fibers isolated from cultured smooth muscle cells (2014)
  • Author(s): Matsui T.S., Sato, M., Deguchi, S.
  • Organizer: International Symposium on Mechanobiology 2014
  • Place of Presentation: 岡山大学（岡山県・岡山市）
  • Year and Date: 2014-05-20 – 2014-05-23
• [Presentation] Identifiation and characterization of Solo as a Rho-GEF involved in mechanosensing (2014)
  • Author(s): Fujiwara, S., Mashiko, T., Kondo, H., Abiko, H., Sato, M., Ohashi, K., Mizuno, K.
  • Organizer: International Symposium on Mechanobiology 2014
  • Place of Presentation: 岡山大学（岡山県・岡山市）
  • Year and Date: 2014-05-20 – 2014-05-23
• [Presentation] Development of a new technique for cell micropatterning (2014)
  • Author(s): Yokoyama, S., Matsui, T.S., Deguchi, S.
  • Organizer: International Symposium on Mechanobiology 2014
  • Place of Presentation: 岡山大学（岡山県・岡山市）
  • Year and Date: 2014-05-20 – 2014-05-23
• [Presentation] Role of nesprin-1 in endothelial cell responses to cyclic stretching (2014)
  • Author(s): Sato, M.
  • Organizer: The 1st International Workshop on Multiscale Mechanobiology
  • Place of Presentation: 香港（中国）
  • Year and Date: 2014-05-15 – 2015-05-18
  • Invited
• [Remarks] 名古屋工業大学出口研究室ホームページ
  • URL: http://mbl.web.nitech.ac.jp/index.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] 接触物体が発生する力の計測方法およびこれを用いたスクリーニング方法 (2014)
  • Inventor(s): 出口真次、横山奨、松井翼
  • Industrial Property Rights Holder: 名古屋工業大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 特願2014-169119
  • Filing Date: 2014-08-22
• [Patent(Industrial Property Rights)] 接触物体が発生する力を可視化および／または定量化するための表面改質方法およびこれを用いたスクリーニング方法、ならびにこれら方法に用いるキット (2014)
  • Inventor(s): 出口真次、横山奨、松井翼
  • Industrial Property Rights Holder: 名古屋工業大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 特願2014-245641
  • Filing Date: 2014-12-04