新鮮胚内部の応力分布可視化法の確立と形態形成原理の力学的理解

2015 年度 実績報告書

• 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: 15H05860
• 研究機関: 名古屋工業大学
• 研究代表者: 松本 健郎 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30209639)
• 研究分担者: 杉田 修啓 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (20532104) ; 田村 篤敬 鳥取大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30394836)
• 研究期間 (年度): 2015-06-29 – 2020-03-31
• キーワード: バイオメカニクス / 力学解析 / 組織・細胞 / 発生・形態形成 / 生物・生体工学

研究実績の概要

胚を様々な断面で切断した際の断面の凹凸を調べるなどの方法で，発生途中の胚内部の応力分布を明らかにすることを目指し，５年間に亙る研究を進めている．内部に局所的に引張とその反作用としての圧縮が作用した物体があった場合，これを力の作用方向と垂直な断面で切断すると，引張力の作用していた部分は陥没し，圧縮力の作用していた部分では突出する．この切断面の凹凸分布とスティフネス分布を調べ，計算機解析と組合わせることで，断面を平面に戻すのに必要な応力分布を求めると，これが胚内部の応力分布と見なせる．
試料には従来，アフリカツメガエル原腸胚を用いてきたが，試料が非常に柔らかく，様々な工夫を試みてきたものの，切断面の詳細な形状を議論するのは困難であると判断せざるを得ず，それよりも発生段階が進み，組織が硬くなりつつある尾芽胚を中心に用いることにした．切断方法として，超音波カッターを用いた方法，高周波電流を流した直径20μmの微細白金線を用いる方法を様々な切削速度などで試み，最終的に白金線を用い，10mm/sで切断する方法を採用することにした．
次に断面のスティフネス分布を求めるため，ビーズを均等に散布する方法の確立を進めた．直径100μmの金属粒子を等間隔で把持して胚断面の直上から落とすこととし，微細加工により直径40μmの吸引孔が300μm間隔に格子状に空いた板を作製し，この板にビーズを吸引して把持し，胚の直上で陰圧を解除，板に超音波振動を加えることで粒子を落とす方法を考えた．これにより粒子の落下位置のずれを従来の1/10以下の40μm程度にまで減らすことに成功した．

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

当初雇用予定だったポスドクが突然，他研究機関での研究を希望し，当方への赴任を辞退したことによる人手不足，研究代表者が平成28年４月に研究機関を異動することになったため，実験装置の移送準備のため研究を年度末前に一旦，中止する必要が出てきたことなどのため．

今後の研究の推進方策

早急に新任地での研究環境を立ち上げ，実験を再開するとともに，ポスドクを採用し，実験を加速する．原腸胚よりも尾芽胚の方が試料の操作が数段容易であること判ったので，今後は，尾芽胚を中心に据えて計測と解析を進める．

研究成果

• [雑誌論文] Multiphasic Stress Relaxation Response of Freshly Isolated and Cultured Vascular Smooth Muscle Cells Measured by Quasi-In Situ Tensile Test (2015)
  • 著者名/発表者名: Nagayama K, Saito S, Matsumoto T
  • 雑誌名: Bio-Medical Materials and Engineering 巻: 25 ページ: 299-312
  • DOI: 10.3233/BME-151276
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mechanical trapping of the nucleus on micropillared surfaces inhibits the proliferation of vascular smooth muscle cells but not cervical cancer HeLa cells (2015)
  • 著者名/発表者名: Nagayama K, Hamaji Y, Sato Y, Matsumoto T
  • 雑誌名: J Biomechanics 巻: 48 ページ: 1796-1803
  • DOI: 10.1016/j.jbiomech.2015.05.004
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dynamic transport and cementation of skeletal elements build up pole-and-beam structured skeleton of sponges (2015)
  • 著者名/発表者名: Nakayama S, Arima K, Kawai K, Mohri K, Inui C, Sugano W, Koba H, Tamada K, Nakata YJ, Kishimoto K, Arai-Shindo M, Kojima C, Matsumoto T, Fujimori T, Agata K, Funayama N
  • 雑誌名: Current Biology 巻: 25 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1016/j.cub.2015.08.023
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 細胞の基板接着・伸展過程における焦点接着斑の形態変化の解析 (2015)
  • 著者名/発表者名: 王 軍鋒，杉田修啓，長山和亮，松本健郎
  • 雑誌名: 日本生体医工学会誌 巻: 53 ページ: 311-318
  • DOI: 10.11239/jsmbe.53.311
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 組織再生に向けた細胞のメカノトランスダクションの理解とその制御【依頼解説】 (2015)
  • 著者名/発表者名: 長山和亮，松本健郎
  • 雑誌名: 日本薬学会誌「ファルマシア」 巻: 51 ページ: 1066-1068
• [学会発表] アフリカツメガエル新鮮胚断面かたさ分布瞬時計測法の高精度化に関する研究 (2016)
  • 著者名/発表者名: 加藤雅也，宮城明日香，杉田修啓，上野直人，松本健郎
  • 学会等名: 日本機械学会東海支部第47回学生員卒業研究発表講演会
  • 発表場所: 愛知工業大学，愛知県八草町
  • 年月日: 2016-03-16 – 2016-03-16
• [学会発表] 胚断面高さおよびかたさ分布計測によるアフリカツメガエル脊索形成時の力学場の推定 (2016)
  • 著者名/発表者名: 村上史哲，宮城明日香，杉田修啓，上野直人，松本健郎
  • 学会等名: 日本機械学会第28回バイオエンジニアリング講演会
  • 発表場所: 東京工業大学，東京都
  • 年月日: 2016-01-09 – 2016-01-10
• [学会発表] 生体組織内力分布を細胞の寸法レベルで明らかにする (2016)
  • 著者名/発表者名: 松本健郎
  • 学会等名: 基生研研究会『物理学は生物現象の謎を解けるか』
  • 発表場所: 基礎生物学研究所，愛知県岡崎市
  • 年月日: 2016-01-05 – 2016-01-06
  • 招待講演
• [図書] Advances in Metallic Biomaterials: Tissues, Materials and Biological Reactions (Niinomi M, Narushima T, Nakai M, eds.) (2015)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto T, Sugita S, Yaguchi T
  • 総ページ数: 348
  • 出版者: Springer
• [備考] 名古屋工業大学 大学院工学研究科 機能工学専攻 バイオメカニクス研究室
  • URL: http://biomech.web.nitech.ac.jp/Previous/top.html