細胞接着力の絶対定量評価システムの構築：オルガノイドの超越的機能発現

• 研究課題/領域番号: 23K18576
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分90:人間医工学およびその関連分野
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 吉川 洋史 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (50551173)
• 研究分担者: 武部 貴則 大阪大学, 大学院医学系研究科, 教授 (20612625)
• 研究期間 (年度): 2023-06-30 – 2026-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2025年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2024年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2023年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
• キーワード: 細胞接着 / レーザー刺激 / 反射干渉イメージング / 生体材料 / 界面計測 / オルガノイド / レーザー操作 / 力学計測 / 圧力波 / バイオマテリアル

研究開始時の研究の概要

本研究では、細胞・生体物質・生体材料の力学特性の定量評価システムを開発するとともに、力学特性を絶対定量指標とした機能的な細胞組織や分子集合体作製の設計指針を提示することを目指している。そのために、研究代表者らが開発してきた光学的・力学的な計測法などを発展的に組み合わせることで、様々な対象の力学特性（接着性・弾性等）を定量評価可能な実験システムを構築する。そして得られた力学特性と機能性との相関を得ることで、人工的に作製された器官様組織構造体（オルガノイド）をはじめとする細胞や分子集合体の超越的機能を発現させるための力学的条件の解明を目指す。

研究実績の概要

本研究では、細胞・生体物質・生体材料の力学特性の定量評価システムを開発するとともに、力学特性を絶対定量指標とした機能的な細胞組織や分子集合体作製の設計指針を開拓することにある。2023年度はこれまで研究代表者らが開発してきた力学的な刺激・計測手法論を先鋭化・高度度化するとともに、様々な試料を対象としたその技術検証を行った。
例えば、研究代表者が得意とする反射型光干渉法に構造化照明を組み合わせることで、そのXY平面方向の超解像化に成功し、細胞-外場環境間のナノメートルスケールの接着構造を検出できることを見出した。さらに本超解像光干渉イメージングと、蛍光イメージング法を組み合わせることで、細胞接着と細胞骨格のナノメートルスケールの構造相関を詳細に調べ、細胞接着性を定量指標とした細胞分化状態の評価が可能であることを見出した。また本超解像光干渉イメージング技術を用いて、モータータンパク質で駆動する微小管ファイバーネットワーク構造の３次元計測や、タンパク質結晶表面のステップ成長様式を高空間解像度で可視化することにも成功した。本成果はJ Phys Chem Lett誌に原著論文として発表した。また集光レーザーや原子間力顕微鏡を外部刺激を用いた生体物質の力学的相互作用の制御や計測法に関する研究も進め、細胞組織の機能と力学的特性との定量的相関に関する初期的知見を得ることにも成功している。以上の成果の一部は論文や学会にて発表している。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

2023年度に当初予定していた計測制御系の高度化・先鋭化はある程度達成し、その成果を原著論文として発表することができた。また本計測制御系を用いた細胞および細胞組織・生体物質・生体材料に関する力学的研究にも着手できており、本研究はおおむね順調に進展しているといえる。

今後の研究の推進方策

今後も構築した計測制御系の高度化・先鋭化を進めるとともに、様々な細胞・生体物質・生体材料を用いた技術検証や、様々な生命機能の力学的観点からの定量指標化を目指す予定である。

研究成果

• [国際共同研究] シンシナティ小児病院/スタンフォード大学/カリフォルニア州立大学ロサンゼルス校(米国)
• [国際共同研究] 国立陽明交通大学(その他の国・地域（台湾）)
• [雑誌論文] Spatiotemporal Control of Polymorphic Phase Transition of Glycine Crystals by Three-Dimensional Femtosecond Laser Ablation Processing (2024)
  • 著者名/発表者名: Hozumi Takahashi,Yudai Yoshimura,Ryota Murai,Ryuzo Kawamura,Mihoko Maruyama,Masahi Yoshimura,Yusuke Mori, Hiroshi Y. Yoshikawa
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 15 号: 1 ページ: 180-186
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.3c02769
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Advanced Interferometry with 3-D Structured Illumination Reveals the Surface Fine Structure of Complex Biospecimens (2024)
  • 著者名/発表者名: Takahisa Matsuzaki, Ryuzo Kawamura, Akihisa Yamamoto, Hozumi Takahashi, Mai Fujii, Shodai Togo, Yosuke Yoneyama, Fumihiko Hakuno, Shin-Ichiro Takahashi, Masami Suganuma, Seiichiro Nakabayashi, Shivani Sharma, James K. Gimzewski, Hiroshi Y. Yoshikawa
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 15 号: 4 ページ: 1097-1104
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.3c02767
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Preparation of mechanically patterned hydrogels for controlling the self-condensation of cells (2023)
  • 著者名/発表者名: Matsuzaki Takahisa, Kawano Yuma, Horikiri Momoka, Shimokawa Yuko, Yamazaki Takashi, Okuma Nao, Koike Hiroyuki, Kimura Masaki, Kawamura Ryuzo, Yoneyama Yosuke, Furuichi Yasuro, Hakuno Fumihiko, Takahashi Shin-Ichiro, Nakabayashi Seiichiro, Okamoto Satoshi, Nakauchi Hiromitsu, Taniguchi Hideki, Takebe Takanori, et al
  • 雑誌名: STAR Protocols 巻: 4 号: 3 ページ: 102471-102471
  • DOI: 10.1016/j.xpro.2023.102471
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Exploring Co-Crystallization Dynamics of L-Phenylalanine and Acetaminophen via Optical Trapping (2024)
  • 著者名/発表者名: Wen-Chi Wang,Teruki Sugiyama,Kazuki Okano,Hiroshi Yoshikawa
  • 学会等名: 2024 Chemistry National Meeting（CNM2024)
• [学会発表] Advanced laser processing and manipulation techniques for life/material sciences. (2024)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Yoshikawa
  • 学会等名: Kyoto Winter School 2024 “Towards Holistic Understanding of Life”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 細胞組織の形態形成における膜物性評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 桜井菜々美,森田梨津子,松﨑賢寿,吉川洋史
  • 学会等名: 応用物理学会関西支部2023年度 第3回講演会
• [学会発表] 集光レーザービームによるコロイド結晶形成制御法の探索 (2023)
  • 著者名/発表者名: 藤井紀文,高橋秀実,松﨑賢寿,吉川洋史
  • 学会等名: レーザー学会 関西支部中国・四国支部連合
• [学会発表] Photophysical approach for fabrication of dynamic biomolecular assembly (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Yoshikawa,Shuma Matsumoto,Ren Shirata,Takahisa Matsuzaki,Genki Fukasawa,Tomoaki Matsuura,Teruki Sugiyama,Ryuzo Kawamura
  • 学会等名: 9th International Conference on Mechanics of Biomaterials and Tissues
  • 国際学会
• [学会発表] Control of self-organization of organoids by mechanically patterned hydrogel (2023)
  • 著者名/発表者名: Takahisa Matsuzaki, Hiroshi Yoshikawa
  • 学会等名: 9th International Conference on Mechanics of Biomaterials and Tissues
  • 国際学会
• [学会発表] フラーレン結晶の成長速度・形状にレーザー照射が与える影響の評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 伏本航,高橋秀実,丸山美帆子,鈴木凌,橘勝,吉川洋史
  • 学会等名: 第52回結晶成長国内会議JCCG-52
• [学会発表] Spatiotemporal control of condensation of biomolecules via photophysical effects of a focused laser beam (2023)
  • 著者名/発表者名: Shuma Matsumoto,Ren Shirata,Genki Fukasawa,Takahisa Matsuzaki,Teruki Sugiyama Ryuzo Kawamura,Tomoaki Matsuura,Hiroshi Yoshikawa
  • 学会等名: 第61回日本生物物理学会年会
• [学会発表] Mechanical Evaluation of Colonic Mucus Layer by Atomic Force Microscopy (2023)
  • 著者名/発表者名: Momoka Horikiri,Mugen Taniguchi,Naritaka Kobayashi,Hiroshi Yoshikawa,Kiyoshi Takeda,Ryu Okumura,Takahisa Matsuzaki
  • 学会等名: 第61回日本生物物理学会年会
• [学会発表] Influence of pulsed laser irradiation on dissolution behavior of bone to understand the structural and chemical origins of old bone region (2023)
  • 著者名/発表者名: Anna Konishi,Erika Yamashita, Mihoko Maruyama,Takahisa Matsuzaki,Heqi Xi,Menglu Li,Katsumasa Fujita,Junichi Kikuta,Yusuke Mori,Masaru Ishii,Hiroshi Yoshikawa
  • 学会等名: 第61回日本生物物理学会年会
• [学会発表] 有機溶媒系におけるレーザー誘起結晶化ダイナミクスの解明 (2023)
  • 著者名/発表者名: 清水 大督,高橋 秀実,釣優 香,丸山 美帆子,吉村 政志,森 勇介,吉川 洋史
  • 学会等名: 2023年度第2回講演会応用物理学会関西支部
• [学会発表] 超短パルスレーザーによる酢酸ナトリウムの擬似多形誘起とそのダイナミクス (2023)
  • 著者名/発表者名: 高岡 佑介,高橋 秀実,海老原 里美,釣 優香,丸山 美帆子,吉村 政志,森 勇介,吉川 洋史
  • 学会等名: 2023年度第2回講演会応用物理学会関西支部
• [学会発表] 細胞膜の物性と構造の光計測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 山田悠雅,寺島丈壱,吉川洋史,氏原嘉洋,松﨑賢寿
  • 学会等名: 2023年度第2回講演会応用物理学会関西支部
• [学会発表] 原子間力顕微鏡を用いた臓器の力学計測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 堀切 萌々香,松崎 賢寿,吉川 洋史
  • 学会等名: 2023年度第2回講演会応用物理学会関西支部
• [学会発表] 集光レーザービームがフラーレン結晶成長に与える影響の評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 伏本航,高橋秀実,丸山美帆子,鈴木凌, 橘勝,吉川洋史
  • 学会等名: 2023年大阪大学JSAP学生チャプター講演会
• [学会発表] 膜環境感受性色素による心筋細胞の膜流動性の定量計測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 山田悠雅,寺島丈壱,吉川洋史,氏原嘉洋,松﨑賢寿
  • 学会等名: 2023年大阪大学JSAP学生チャプター講演会
• [学会発表] Crystal nucleation, growth, and phase transition induced by focused irradiation with a pulsed laser (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Yoshikawa
  • 学会等名: International Workshop on Laser Material Processing and Applications(LMPA 2023)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] フェムト秒レーザーを用いた尿路結石破砕法の検討～新規内視鏡的治療法の開拓に向けて～ (2023)
  • 著者名/発表者名: 吉村侑大,濵本周造,丸山美帆子,田中勇太朗,高野和文,吉村正志,宇佐美茂佳,今西正幸,田尻理恵,岡田淳志,安井孝周,森勇介,吉川洋史
  • 学会等名: 日本尿路結石症学会第33回学術集会
• [学会発表] Growth Promotion of Targeted Crystal Faces of Organics Compounds and Proteins by Nano-Processing via Laser Ablation (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Y. Yoshikwa,Yuka Tsuri,Hozumi Takahashi,Megumi Shiraiwa,Yusuke Takaoka,Satomi Ebihara,Katsuo Tsukamoto,Takashi Onuma,Ryutaro Shimada,Tomohiko Tateshima,Kazufumi Takano,Hiroaki Adachi,Masashi Yoshimura,Yoichiroh Hosokawa, Seiichiro Nakabayashi,Mihoko Maruyama,Yusuke Mori
  • 学会等名: The International Conference on Crystal Growth and Epitaxy ICCGE-20
  • 国際学会
• [学会発表] Spatiotemporal Control of Ice Crystallization in Supercooled Water by Focused Irradiation with Laser Pulses (2023)
  • 著者名/発表者名: Hozumi Takahashi,Tatsuya Kono,Kosuke Sawada,Satoru Kumano,Yuka Tsuri,Mihoko Maruyama,Masashi Yoshimura,Daisuke Takahashi, Yukio Kawamura,Matsuo Uemura,Seiichiro Nakabayashi,Yusuke Mori, Yoichiroh Hosokawa, Hiroshi Y. Yoshikawa.
  • 学会等名: The International Conference on Crystal Growth and Epitaxy ICCGE-20
  • 国際学会
• [学会発表] Spatial Control of Polymorphic Phase Transition from β-Form of Glycine Crystals by Focused Irradiation with a Femtosecond Laser Pulse (2023)
  • 著者名/発表者名: Hozumi Takahashi,Yudai Yoshimura,Ryota Murai,Ryuzo Kawamura,Mihoko Maruyama,Masashi Yoshimura,Yusuke Mori,Hiroshi Y Yoshikawa
  • 学会等名: 31st International Conference on Photochemistry(ICP2023)
  • 国際学会