| 研究課題/領域番号 |
23H00555
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| 研究種目 |
基盤研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
中区分90:人間医工学およびその関連分野
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| 研究機関 | 慶應義塾大学 |
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研究代表者 |
尾上 弘晃 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (30548681)
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| 研究分担者 |
石上 玄也 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (90581455)
倉科 佑太 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (40801535)
舟橋 啓 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (70324548)
山田 貴大 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 訪問研究員 (20837736)
三浦 重徳 広島大学, 医系科学研究科(歯), 准教授 (70511244)
遠山 周吾 藤田医科大学, 医学部, 教授 (90528192)
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| 研究期間 (年度) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2025年度)
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| 配分額 *注記 |
47,710千円 (直接経費: 36,700千円、間接経費: 11,010千円)
2025年度: 12,610千円 (直接経費: 9,700千円、間接経費: 2,910千円)
2024年度: 12,090千円 (直接経費: 9,300千円、間接経費: 2,790千円)
2023年度: 23,010千円 (直接経費: 17,700千円、間接経費: 5,310千円)
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| キーワード | In vitro組織成熟化 / 力学刺激 / hiPSC由来心筋 / ベイズ的最適化 / 自動培養 / in vitro組織成熟化 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究は筋組織のin vitro 3次元組織形成において「人の介在と思い込み」を排除し，生命科学実験を自動的・自律的に実行可能とする「知能化培養システム」を構築する．この培養システムは，3次元組織培養・力学刺激・蛍光観察が可能な培養モジュールを複数並列して順次的に培養することで，「観察」「計画」「行動」「発見」という科学者の研究サイクルをアルゴリズムとシステムインテグレーション技術により自律的に行い，生命科学の重要な課題である組織成熟化と力学刺激の関連性の解明を目指す．さらに本技術をヒトiPS由来心筋組織に適用することで高度に成熟化したin vitro心筋組織を構築し，医療応用展開を探索する．
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| 研究実績の概要 |
本年度は、まず三次元筋組織の並列培養による成熟化を実施した．グループBが構築する並列ベイズ的最適化アルゴリズムを用い，4つのピラー型牽引力計測用三次元培養モジュールを用い，三次元組織化および成熟化実験を並列的に実施した．成熟化の培養日数は2週間とし，電気刺激による力学刺激を与えて組織培養を行った．結果として，並列培養の系において，電気刺激による3D培養iPS心筋組織の牽引力上昇が確認できた．加えて，さらなる培養並列化のためのロボティック培養装置の開発に取り組み，自動で並列培養している３次元培養モジュールの顕微鏡画像を，培養インキュベータ内で取得可能なシステムを構築した．
画像処理を用いた成熟化の評価指標の確立としては，MHCの免疫染色とMyogeninの免疫染色の双方を検討した．結果，MHCの免疫染色の方が安定した指標として初期の筋組織の成熟化として用いることが可能であることが判明した．C2C12を用いた実験において，MHCの免疫染色の指標と，細胞生物学的解析手法であるqPCRによるmRNA発現と比較し，画像処理による指標と生物学的な成熟化指標が一致することが確認できた．
hIPS細胞由来の心筋組織を成熟化させるために，ハイドロゲルマイクロファイバに封入した系において，電気刺激を印加した条件での培養可能な三次元培養モジュールを開発し，培養を行った．結果，2Hzの電気刺激を印加した際，遺伝子発現および電気生理学的な評価において，hIPS由来心筋組織の成熟化が促進されることが確認できた．
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
2: おおむね順調に進展している
理由
本年度の研究計画にある (1) ベイズ最適化アルゴリズムによる三次元力学刺激培養ユニットによる並列培養，(2) ロボティック自動培養装置の開発，(3) 成熟化評価指標の検討，(4) hiPSC由来心筋の電気刺激による成熟化と生物学的評価，という全ての項目について研究を実施し，結果を得られているため．
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| 今後の研究の推進方策 |
次年度は以下の項目に従い，研究を推進する．
1-(b) 三次元筋組織の並列培養による成熟化：昨年度に引き続き、グループBが構築する並列ベイズ的最適化アルゴリズムによる実験条件（2-(b)）に従い，複数（8個）の三次元培養モジュール（1-(a)）を用い，三次元組織化および成熟化実験を並列的に実施する．iPSC細胞をピラーに固定する組織を用い，収縮力を成熟化の指標とすることで，電気刺激条件のベイズ的最適化によるアルゴリズムにより見出す．
2-(b) 成熟化指標と並列ベイズ的最適化アルゴリズムの構築：2-(a)にて取得した細胞の形状および関係性データを元に，筋組織における組織成熟化の指標（サルコメア構造，Rod形状の細胞形態，ミトコンドリアネットワークなど）を画像解析アルゴリズムで定量化して成熟化指標を構築する．これらの成熟化指標を用い，実験条件の最適化の短縮
を目指してベイズ的最適化アルゴリズムの並列化を行う．並列化のためには，ベイズ的最適化により生成される実験条件の候補を培養チャンバと同等数用意する必要があるが，(i) 複数の獲得関数を利用，および(ii) 導出される上位の候補条件を複数採用，により並列化に対応したアルゴリズムを構築する．候補となった実験条件はグループAの並列培養システム（1-(b)）にフィードバックする．
3-(c) ヒトiPS由来心筋組織の医学応用：力学刺激により成熟化したヒトiPS由来心筋組織の医学応用展開として，致死性不整脈や心毒性評価系の構築を行う．心室興奮の開始から終了までの時間（QT時間）を延長させる薬剤や心臓の収縮能を抑制する薬剤におけるリスク分類を正確に再現できるか否かを多電極アレイシステムおよびモーションベクターイメージングにより評価する．
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