インビトロ系における細胞シートからの３Ｄ形態形成

• 研究領域: 生物の３Ｄ形態を構築するロジック
• 研究課題/領域番号: 15H05858
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 生物系
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 芳賀 永 北海道大学, 先端生命科学研究院, 教授 (00292045)
• 研究分担者: 石原 誠一郎 北海道大学, 先端生命科学研究院, 助教 (10719933) ; 古澤 和也 北海道大学, 先端生命科学研究院, 助教 (00510017)
• 研究期間 (年度): 2015-06-29 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 85,540千円 (直接経費: 65,800千円、間接経費: 19,740千円); 2019年度: 16,640千円 (直接経費: 12,800千円、間接経費: 3,840千円); 2018年度: 16,640千円 (直接経費: 12,800千円、間接経費: 3,840千円); 2017年度: 16,640千円 (直接経費: 12,800千円、間接経費: 3,840千円); 2016年度: 16,640千円 (直接経費: 12,800千円、間接経費: 3,840千円); 2015年度: 18,980千円 (直接経費: 14,600千円、間接経費: 4,380千円)
• キーワード: 細胞・組織 / 上皮細胞シート / ゲル基質 / アクトミオシン / 集団運動 / 粘弾性基質 / ゾル基質

研究成果の概要

消化管，呼吸器系など様々な器官の形態は上皮組織の折り畳みによって作られる．本研究はゲル基質を用いて上皮細胞シートを培養シャーレ内で作り出し，境界条件，基質粘弾性，細胞内張力，浸透圧など物理的パラメータを制御することで３Ｄ形態を構築させ，その力学的ロジックを数理モデルによって解析した．
本研究では，ゲニピンで架橋したマトリゲル上にイヌ腎尿細管上皮細胞（MDCK細胞）の細胞シートを培養し，基底部側を高浸透圧にすることで，上皮細胞シートが自発的に変形しドーム状の３Ｄ構造が形成されることを見出した．さらに，球殻状のゲルカプセル培養系を新たに構築し，胚発生初期の形態形成を模倣することに成功した．

研究成果の学術的意義や社会的意義

インビトロでの実験は，原理の発見には有効であるが，観察した現象がアーティファクトである可能性がある．本研究では，消化管形成，体節形成などを観察するインビボの計画班と協調し，インビトロとインビボの現象を対比しながら研究を進めることができた．
また，３Ｄ形態が形成されるロジックを理解するためには，数理モデルが不可欠である．本研究では，３Ｄシミュレーションを担当する計画班と連携することで，細胞集団の回転やドーム形成の力学モデルを構築することができた．このように，インビボ，インビトロ，数理の連携によって，一見複雑に見えるインビボでの現象をシンプルな数理モデルで解明する新たなスキームが構築された．

研究成果

• [雑誌論文] Differential contributions of nonmuscle myosin IIA and IIB to cytokinesis in human immortalized fibroblasts (2019)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto, K., Otomo, K., Nemoto, T., Ishihara, S., Haga, H., Nagasaki, A., Murakami, Y., Takahashi, M.
  • 雑誌名: Experimental Cell Research 巻: 376 号: 1 ページ: 67-76
  • DOI: 10.1016/j.yexcr.2019.01.020
  • NAID: 120006803950
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mesenchymal actomyosin contractility is required for androgen-driven urethral masculinization in mice. (2019)
  • 著者名/発表者名: Acebedo AR, Suzuki K, Hino S, Alcantara MC, Sato Y, Haga H, Matsumoto KI, Nakao M, Shimamura K, Takeo T, Nakagata N, Miyagawa S, Nishinakamura R, Adelstein RS, Yamada G.
  • 雑誌名: Commun. Biol. 巻: eCollection 号: 1 ページ: 95-95
  • DOI: 10.1038/s42003-019-0336-3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Modulation and characterization of the double network hydrogel surface-bulk transition. (2019)
  • 著者名/発表者名: Frauenlob M, King DR, Guo H, Ishihara S, Tsuda M, Kurokawa T, Haga H, Tanaka S, Gong JP.
  • 雑誌名: Macromolecules 巻: 52 号: 17 ページ: 6704-6713
  • DOI: 10.1021/acs.macromol.9b01399
  • NAID: 120006885161
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Anisotropic Multi-channel Collagen Gel (MCCG) Guides the Growth Direction of the Neurite-like Processes of PC12 Cells (2018)
  • 著者名/発表者名: Koh Isabel、Furusawa Kazuya、Haga Hisashi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 8 号: 1
  • DOI: 10.1038/s41598-018-32156-0
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Long-term Culture of Human iPS Cell-derived Telencephalic Neuron Aggregates on Collagen Gel (2018)
  • 著者名/発表者名: Oyama Hiroshi、Takahashi Koji、Tanaka Yoshikazu、Takemoto Hiroshi、Haga Hisashi
  • 雑誌名: Cell Structure and Function 巻: 43 号: 1 ページ: 85-94
  • DOI: 10.1247/csf.18002
  • NAID: 130006742880
  • ISSN: 0386-7196, 1347-3700
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 基質の軟らかさが誘引する上皮細胞の集団運動と3次元形態形成 (2018)
  • 著者名/発表者名: 芳賀 永
  • 雑誌名: 生物物理 巻: 58 号: 4 ページ: 196-199
  • DOI: 10.2142/biophys.58.196
  • NAID: 130007420830
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mathematical Model of Collective Cell Migrations Based on Cell Polarity (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Akiyama, T. Sushida, S. Ishida, H. Haga
  • 雑誌名: Dev. Growth Differ 巻: 59 号: 5 ページ: 471-490
  • DOI: 10.1111/dgd.12381
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effects of three-dimensional culture of mouse calvaria-derived osteoblastic cells in a collagen gel with a multichannel structure on the morphogenesis behaviors of engineered bone tissues (2017)
  • 著者名/発表者名: Saki Yahata, Kazuya Furusawa, Kei Nagao, Masahiro Nakajima, Toshio Fukuda
  • 雑誌名: ACS Biomaterials Science & Engineering 巻: 3 号: 12 ページ: 3414-3424
  • DOI: 10.1021/acsbiomaterials.7b00190
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Anisotropic Growth of Hydroxyapatite in Stretched Double Network Hydrogel (2017)
  • 著者名/発表者名: Fukao Kazuki、Nonoyama Takayuki、Kiyama Ryuji、Furusawa Kazuya、Kurokawa Takayuki、Nakajima Tasuku、Gong Jian Ping
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 11 号: 12 ページ: 12103-12110
  • DOI: 10.1021/acsnano.7b04942
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Data set for comparison of cellular dynamics between human AAVS1 locus-modified and wild-type cells (2016)
  • 著者名/発表者名: Takeomi Mizutani, Hisashi Haga, Kazushige Kawabata
  • 雑誌名: Data in Brief 巻: 6 ページ: 793-798
  • DOI: 10.1016/j.dib.2015.12.053
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Conformational Plasticity of JRAB/MICAL-L2 Provides 'Law and Order' (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Sakane, S. Yoshizawa, M. Nishimura, Y. Tsuchiya, N. Matsushita, K. Miyake, K. Horikawa, I. Imoto, C. Mizuguchi, H. Saito, T. Ueno, S. Matsushita, H. Haga, S. Deguchi, K. Mizuguchi, H.
  • 雑誌名: Molecular Biology of the Cell 巻: 27 号: 20 ページ: 3095-3108
  • DOI: 10.1091/mbc.e16-05-0332
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Three-dimensional morphogenesis of MDCK cells induced by cellular contractile forces on a viscous substrate (2015)
  • 著者名/発表者名: Misako Imai, Kazuya Furusawa, Takeomi Mizutani, Kazushige Kawabata, Hisashi Haga
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 5 号: 1 ページ: 14208-14208
  • DOI: 10.1038/srep14208
  • NAID: 120005682122
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] ゲル基質上の上皮細胞シートが引き起こす浸透圧勾配依存的なドーム形成 (2019)
  • 著者名/発表者名: 石原（石田）すみれ、秋山 正和、須志田 隆道、古澤 和也、名黒 功、立野 浩輝、石原 誠一郎、芳賀 永
  • 学会等名: 第56回 日本生化学会北海道支部例会
  • 招待講演
• [学会発表] 球形の細胞シートでみられる細胞張力依存的な変形 (2019)
  • 著者名/発表者名: 山村 芳央、石原 誠一郎、古澤 和也、芳賀 永
  • 学会等名: 第56回 日本生化学会北海道支部例会
• [学会発表] Osmotic stimuli triggered the dome formation of epithelial cells (2019)
  • 著者名/発表者名: Sumire Ishida-Ishihara, Masakazu Akiyama, Kazuya Furusawa, Isao Naguro, Hiroki Ryuno, Takamichi Sushida, Seiichiro Ishihara, Hisashi Haga
  • 学会等名: 北海道大学ライフサイエンスフォーラム 2019
• [学会発表] Development of collagen gels with adjustable stiffness by genipin crosslinking (2019)
  • 著者名/発表者名: Haruna Kurosawa, Seiichiro Ishihara, Hisashi Haga
  • 学会等名: 7th International Life-Science Symposium
• [学会発表] 浸透圧勾配が引き起こす上皮細胞シートのドーム形成 (2019)
  • 著者名/発表者名: 石原（石田）すみれ、秋山正和、須志田隆道、古澤和也、名黒功、立野浩輝、石原誠一郎、芳賀永
  • 学会等名: 日本生物物理学会北海道支部会例会
• [学会発表] Collective Movement and 3D Morphogenesis of Epithelial Cells Responding to Viscoelastic Substrates (2018)
  • 著者名/発表者名: Hisashi Haga
  • 学会等名: Japan-Toronto Morphogenesis Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 多細胞系のメカノバイオロジー (2018)
  • 著者名/発表者名: 芳賀 永
  • 学会等名: CSJ化学フェスタ
  • 招待講演
• [学会発表] 細胞集団に自発的な3次元形態形成を促す培養技術の開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 芳賀 永，古澤 和也
  • 学会等名: 帝人21世紀フォーラム
  • 招待講演
• [学会発表] 細胞の集団運動と3次元形態形成 (2018)
  • 著者名/発表者名: 芳賀 永
  • 学会等名: AIMaP研究会「反応拡散系と実験の融合」
  • 招待講演
• [学会発表] 細胞の基質牽引力と基質の粘弾性がもたらす上皮細胞の集団運動と３Ｄ形態形成 (2018)
  • 著者名/発表者名: 芳賀 永
  • 学会等名: 第95回日本生理学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] Collective movement and 3D morphogenesis of epithelial cells induced by viscoelasticity of the extracellular matrix (2017)
  • 著者名/発表者名: Hisashi HAGA
  • 学会等名: Japan-UCI Meeting on 3D Morphogenesis
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Epithelial cell polarity essential for collective migration and 3D morphogenesis of cell sheets (2017)
  • 著者名/発表者名: 芳賀 永
  • 学会等名: The 18th RIES-HOKUDAI International Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Construction of Engineered Bone Tissues with Complex Hierarchical Structures (2017)
  • 著者名/発表者名: Kazuya Furusawa, Saki Yahata
  • 学会等名: IUMRS-ICAM 2017, The 15th International Conference on Advanced Materials
  • 国際学会
• [学会発表] Phase Behaviors of Collagen Solution (2017)
  • 著者名/発表者名: Kazuya Furusawa, Koichi Sugiyama
  • 学会等名: IUMRS-ICAM 2017, The 15th International Conference on Advanced Materials
  • 国際学会
• [学会発表] 細胞外基質の粘弾性に応答する上皮細胞の集団運動と3次元形態形成 (2016)
  • 著者名/発表者名: 芳賀 永
  • 学会等名: 第54回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: つくば国際会議場（茨城県・つくば市）
  • 招待講演
• [学会発表] 3D morphogensis of epithelial cells responding to viscoelasticity of the extracellular matrix (2016)
  • 著者名/発表者名: Hisashi Haga
  • 学会等名: Japan-Austria joint meeting "Understanding the logic behind developmental dynamics
  • 発表場所: IST, Klosterneuburg（Austria）
  • 招待講演
• [図書] 医学のあゆみ (2019)
  • 著者名/発表者名: 芳賀 永
  • 総ページ数: 70
  • 出版者: 医歯薬出版株式会社
• [図書] 三次元培養における培養手法と周辺技術動向 (2019)
  • 著者名/発表者名: 石原 誠一郎、芳賀 永
  • 総ページ数: 197
  • 出版者: 情報機構
• [図書] ゲル化・増粘剤の使い方、選び方 事例集（第6章「刺激応答性」ゲルを作製するには？ 第3節 異方性ゲルの作成技術） (2018)
  • 著者名/発表者名: 古澤 和也（分担執筆）
  • 総ページ数: 691
  • 出版者: （株）技術情報協会
• [備考] 細胞ダイナミクス科学研究室
  • URL: http://altair.sci.hokudai.ac.jp/g3
• [備考] 細胞ダイナミクス科学研究室
  • URL: http://altair.sci.hokudai.ac.jp/g3/
• [備考]
  • URL: http://altair.sci.hokudai.ac.jp/g3/research/
• [備考]
  • URL: http://www.3d-logic.jp/
• [備考] 細胞ダイナミクス科学研究室 研究紹介
  • URL: http://altair.sci.hokudai.ac.jp/g3/research/