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癌細胞の初期悪性化・浸潤を左右する4次元力学場の探索と浸潤抑制治療への展開

研究課題

研究課題/領域番号 23K25197
補助金の研究課題番号 22H03943 (2022-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2022-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分90110:生体医工学関連
研究機関慶應義塾大学

研究代表者

宮田 昌悟  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (70376515)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
16,900千円 (直接経費: 13,000千円、間接経費: 3,900千円)
2024年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
2023年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円)
2022年度: 8,710千円 (直接経費: 6,700千円、間接経費: 2,010千円)
キーワードがん細胞 / 力学的微小環境 / 3次元培養モデル / 浸潤 / 増殖 / 癌細胞 / 多層スフェロイド / 組織透過性 / 子宮頸癌 / 癌細胞スフェロイド / アガロースゲル / 圧縮応力 / 結腸線癌 / 子宮頸がん / 力学的環境 / 上皮-間葉形質転換
研究開始時の研究の概要

癌細胞は健常組織中に発生し,細胞塊を形成して増殖,浸潤,他臓器の転移へと進行する.
癌細胞が発生して細胞増殖期から健常組織への浸潤を開始する最初期においては,癌細胞は細胞同士の接着が強固な形態から浸潤性が高まる形態に形質転換する.この最初期の形質転換こそが癌という病態の悪性化と浸潤と転移のスタートと言える.本研究は,この癌の最初期における細胞周囲の力学的環境の変化が形質転換のトリガーの一つであるという仮説を提示し,これを実証することを目的とする研究である.

研究実績の概要

癌は発生の最初期においては上皮系細胞の性質を持ち,細胞は旺盛な増殖性を示す増殖型にある.このため周囲の健常組織との相互作用は乏しく細胞-細胞間接着が支配的な状態となる.本研究では,この最初期の環境を再現するために,周囲基質として細胞接着分子を含まないアガロースゲルを周囲基質として癌細胞の細胞塊(スフェロイド)を剛性の異なるアガロースゲルに包埋して,周囲の力学的環境を変化させた閉じ込め腫瘍モデルを構築している.
本年度はこのモデルを発展させて,子宮頸がん細胞と血管内皮細胞の多層細胞スフェロイドを構築し,周囲基質の剛性が血管新生に及ぼす影響を調査した.その結果,多層細胞スフェロイド培養体では,周囲基質の剛性がある一定の範囲を示すときに組織成長速度が癌細胞単独からなる単層の細胞スフェロイドの5倍から10倍程度まで大きくなることを明らかにした.さらに,蛍光デキストランを用いた癌細胞スフェロイド内への物質浸透性を調査したところ,血管内皮細胞を外層に有する多層細胞スフェロイドの方が高い浸透性を示した.これらは血管内皮細胞を介在とした組織透過性の向上とそれによる癌組織の成長および浸潤性の亢進を示すものと考えられる.
また,癌細胞スフェロイドが周囲基質のアガロースゲルから受ける応力を観測することを目的として,癌細胞スフェロイド培養体の蛍光観察が可能となるようにライトシート光学系を正立型顕微鏡に組み込んだ.このライトシート顕微鏡を用いて,細胞スフェロイド周囲に蛍光ゲルビーズを分散してその時系列の位置変化を観測することでゲル内部のひずみを評価可能な観察システムを構築した.本観察システムを用いることで癌細胞スフェロイド周囲の応力場の観測が可能となり,癌細胞に形質転換を生じさせる力学的微小環境を明らかにすることが期待される.

現在までの達成度 (区分)
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

本研究の目的は癌組織を対象として癌の発生の最初期を模擬した生体外培養モデルを構築し,時間軸を加えた4次元の力学的微小環境と癌組織の浸潤の関係を明らかにすることにある.計画1年目に癌細胞スフェロイドを剛性の異なるアガロースゲルに包埋することで閉じ込め腫瘍モデルを開発し,周囲基質の剛性がある一定の範囲の値を示すときに組織成長性が亢進されることを明らかにしている.さらに計画2年目である2023年度にはタイムラプス観察が可能となるライトシート光学系を正立型顕微鏡に組み込んだライトシート顕微鏡を構築し,時系列の観察が可能となる観察系の構築にも成功している.同じく同年度にはヒト由来の子宮頸がん細胞および血管内皮細胞からなる多層スフェロイドをアガロースゲルに包埋した,血管新生の過程も含む癌の発生過程を模擬する生体外モデルの構築も達成しているため.

今後の研究の推進方策

本研究ではこれまでに癌発生の最初期の環境を再現するために,周囲基質としてアガロースゲルを採用し,このゲルの内部に癌細胞のスフェロイド培養体を包埋する閉じ込め腫瘍モデルを構築している.アガロース下の剛性を変化させることで,周囲の力学的微小環境を変化させることを可能にしている.このモデル内では,スフェロイド内の細胞が増殖し,スフェロイドサイズが大きくなるとアガロースゲルを押しのける動きの反作用として圧縮応力に曝されことから,力学的微小環境は3次元的に形成される.さらにスフェロイドの成長に伴って力学的微小環境も時系列で変化することから,時間軸も含めた4次元的な力学微小環境が癌細胞スフェロイドに及ぼす影響を観測可能としている.
今後は力学的微小環境を生体内環境を模擬した動的な変動場として影響を明らかにすることを予定している.具体的には大腸癌を想定して閉じ込め腫瘍モデルに大腸内の蠕動運動を再現した圧縮変形を印加可能な培養装置を開発し,癌細胞スフェロイドの成長に伴って周囲基質から受ける圧縮応力に重畳する形で作用する動的な力学的刺激が癌細胞スフェロイドの成長に与える影響を明らかにする.癌細胞が形質転換する際に発現する遺伝子を調査することに加えて,細胞周期にも着目する.観察にはタイムラプス観察を可能とするように自作したライトシート顕微鏡を用いて行う.さらに,スフェロイドおよび周囲のアガロースゲルの変位場を観察して,癌細胞スフェロイドが特異的な成長を開始する力学的微小環境の条件を明らかにする.

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (12件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 5件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 1件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Spatiotemporal single-cell tracking analysis in 3D tissues to reveal heterogeneous cellular response to mechanical stimuli2023

    • 著者名/発表者名
      Kasahara Keitaro、Muramatsu Jumpei、Kurashina Yuta、Miura Shigenori、Miyata Shogo、Onoe Hiroaki
    • 雑誌名

      Science Advances

      巻: 9 号: 41

    • DOI

      10.1126/sciadv.adf9917

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Multilayered gel-spotting device for in vitro reconstruction of hair follicle-like microstructure.2023

    • 著者名/発表者名
      Sugeno A, Sumi T, Sato-Yazawa H, Yazawa T, Inoue H, Miyata S
    • 雑誌名

      Micromachines

      巻: 14 号: 9 ページ: 1651-1651

    • DOI

      10.3390/mi14091651

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effect of Compressive Stress in Tumor Microenvironment on Malignant Tumor Spheroid Invasion Process2022

    • 著者名/発表者名
      Nishi Ryota、Oda Yudai、Morikura Takashi、Miyata Shogo
    • 雑誌名

      International Journal of Molecular Sciences

      巻: 23 号: 13 ページ: 7091-7091

    • DOI

      10.3390/ijms23137091

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Efficient Cell Impedance Measurement by Dielectrophoretic Cell Accumulation and Evaluation of Chondrogenic Phenotypes2022

    • 著者名/発表者名
      Nakata Natsumi、Ishibashi Yuko、Miyata Shogo
    • 雑誌名

      Micromachines

      巻: 13 号: 6 ページ: 837-837

    • DOI

      10.3390/mi13060837

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Three-Dimensional Cell Drawing Technique in Hydrogel Using Micro Injection System2022

    • 著者名/発表者名
      Shinagawa Takuya、Miyata Shogo
    • 雑誌名

      Micromachines

      巻: 13 号: 11 ページ: 1866-1866

    • DOI

      10.3390/mi13111866

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 子宮頸癌および血管内皮細胞から構成される多層細胞スフェロイドの形成と その成長に及ぼす力学的環境の影響2023

    • 著者名/発表者名
      小泉玄碩,宮本将貴,宮田昌悟
    • 学会等名
      日本機械学会2023年度年次大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] ライトシート顕微鏡系を用いた癌細胞スフェロイドの浸潤特性の三次元観察2023

    • 著者名/発表者名
      宮本将貴,小田雄大,宮田昌悟
    • 学会等名
      第14回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Effect of Clump Size for iPS Cell Passaging on Pluripotency and Proliferation2023

    • 著者名/発表者名
      Koji Ishii, Koki Abe, Teiji Sakamoto, Takashi Kurihara, Shogo Miyata
    • 学会等名
      The 12th Asian-Pacific Conference on Biomechanics (APBiomech2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 力学的微小環境および培養環境が子宮頸癌細胞スフェロイドの形成と 成長に及ぼす影響2023

    • 著者名/発表者名
      秋山大陸,小泉玄碩,宮本将貴,宮田昌悟
    • 学会等名
      日本機械学会第34回バイオフロンティア講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 子宮頸癌および血管内皮細胞から構成される多層細胞スフェロイドの形成とその成長に及ぼす力学的環境の影響2023

    • 著者名/発表者名
      小泉 玄碩,宮本 将貴,宮田 昌悟
    • 学会等名
      日本機械学会2023年度年次大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [備考]

    • URL

      http://www.miyata.mech.keio.ac.jp/research/#mechanobiology

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] Welcome to Miyata Laboratory

    • URL

      http://www.miyata.mech.keio.ac.jp/

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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