生体工学的原理による血管壁細胞の機能発現と組織化、及び臓器工学的応用

1996 年度 研究成果報告書概要

• 研究課題/領域番号: 07044303
• 研究種目: 国際学術研究
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 共同研究
• 研究機関: 国立循環器病センター
• 研究代表者: 松田 武久 国立循環器病センター研究所, 生体工学部, 部長 (60142189)
• 研究分担者: 佐藤 伸一 京都府立医科大学, 医学部, 講師 (30178735) ; 中山 泰秀 国立循環器病センター研究所, 生体工学部, 室員 (50250262) ; ; ; 増田 道隆 国立循環器病センター研究所, 循環器形態部, 室長 (00190364) ; 藤原 敬己 国立循環器病センター研究所, 循環器形態部, 部長 (10190092) ; ; SAMET Mark M Univ.of Wisconsin, Adjunct Professor ; NIKOLAYCHIK Victor Univ.of Wisconsin, Adjunct Professor ; LELKES Peter I Univ.of Wisconsin, Director
• 研究期間 (年度): 1995 – 1996
• キーワード: 力学的ストレス / 組織工学 / 人工血管 / 人工心臓 / 細胞

研究概要

初年度では、1)管状ハイブリッド中膜組織の形成と三次元拍動負荷培養装置の開発:平滑筋細胞を円筒状コラーゲン・ゲルに包埋し、内側より拍動圧を特別仕様で設計・製作した装置で負荷した。細胞の配向、形質変化、細胞外マトリックス産生及びハイブリッド組織のリモデリングを研究した。
2)ハイブリッド人工血管:それぞれ内皮・平滑筋・繊維芽細胞を含むコラーゲン層より構成される階層性ハイブリッド組織の構築と生体内移植、生体内のリモデリング過程を細胞レベル及びマトリックス・レベルで検証した。
3)流れ感知機構の解明:細胞底部皮層にあるストレスファイバ(SF)は伸展の維持に重要であるが、流体力学的剪断応力を受けやすい細胞上部層に一部分布しているSFの流れ感知機構への関与について研究した。具体的には、SFの三次元走行(共焦点レーザ顕微鏡)と蛋白組成(膜裏打ち蛋白)を詳細に研究した。
圧力可変培養装置の開発と細胞機能発現:負荷圧力ゼロ(通常の培養)から定圧及び生理条件の拍動圧を負荷できる培養装置を開発し、細胞機能(細胞増殖・運動性)の圧力依存性の有無が明確になった。
内皮化人工心臓:内皮細胞を播種した人工心臓を開発している。三次元的に均一に播種できる装置を開発した。流体力学的応力に拮抗する接着力を与える人工細胞外マトリックスの設計した結果、細胞配向より人工心臓ポンプの流体力学的設計へのフィード・バックが可能になり、またこれにより非血栓性が確保できた。
流体力学及び機会的伸展応力に対する材料血管壁細胞の応答について、(1)巨視的形態、(2)細胞内超微細構造、(3)接着装置の分子生物学、(4)人工血管及び(5)人工心臓への応用が計画通り達成された。一方、問題点に関しては、静水圧圧力の依存性について、装置上の改善の必要が見い出された。
ハイブリッド中膜の細胞及びマトリックスの配向と階層性人工血管:上記の力学的ストレス負荷によって形成した高秩序・高密度・高配向性の円筒状ハイブリッド組織の微細形態及び力学的強度発現をしらべる。さらに、移植した人工血管の細胞及びマトリックス・レベルでの秩序性及び再構築性をしらべた。
次年度は前年度の研究を続けて遂行し、力学的ストレスが与える効果を分子レベルから細胞レベル及び組織レベルまでを時系列的且つ時空間的に分割・定量化すると共に、各レベル間の連携による組織化過程を統一的に解釈する。次の各項目についての理論的考察及び臓器工学ハイブリッド人工血管及び内皮化人工心臓の開発の基盤への応用に際しての合目的な指針を与えた。
1)ハイブリッド血管壁組織の力学的及び構造的リモデリング過程;ハイブリッド中膜の細胞及びマトリックスの配向と階層性人工血管:上記の力学的ストレス負荷によって形成した高秩序・高密度・高配向性の円筒状ハイブリッド組織の微細形態及び力学的強度発現をしらべる。さらに、移植した人工血管の細胞及びマトリックス・レベルでの秩序性及び再構築性をしらべた。
2)流れ感知機構の分子論的原理の提出;流れ感知機構と細胞運動性:既に当研究で開発した流れ負荷装置を用いて細胞の運動性(運動方向性及び移動速度、運動軌跡)を剪断応力の関数として定量化する。膜裏打ち蛋白の解析と抗体作成。各力学的ストレス場における細胞機能動態の解析:圧力、流体力学剪断応力、引張り応力を負荷した状態の細胞機能(接着因子発現、アンジオテンシン変換酵素系等)をストレスの強度と負荷時間との関係を確立した。
3)内皮化人工心臓:内皮化人工心臓の内皮細胞層の接着力の増大を人工細胞外マトリックスの最適設計により達成した。低拍出量の状況下での非血栓性を検証した。

研究成果

• [文献書誌] N.Saito,T.Sugawara,T.Matsuda: "Synthesis and Hydrophilicity of Multifunctionally Hydroxylated Poly (acrylamides)" Macromolecules. 29. 313-139 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] H.Kito,T.Matsuda: "Biocompatible Coatings for Luminal and Outer Surfaces of Small-Caliber Artificial Grafts" Journal of Biomedical Material Research. 30. 321-330 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] J.Hirai,T.Matsuda: "Venous Reconstruction Using Hybrid Vascular Tissue Composed of Vascular Cells and Collagen : Tissue Rageneration Process" Cell Transplantation. 5. 93-105 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] K.Doi,Y.Nakayama,T.Matsuda: "Novel compliant and Tissue-Permeable Microporous Polyurethane Vascular Prosthesis Fabricated Using and Excimer Laser Ablation Technique" Journal of Biomedical Materials Research. 31. 27-33 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] T.Matsuda,Y.Nakayama: "Surface microarchitectural design in biomedical applications : In VITRO transmural endothelialization on microporous Segmented ployurethane films fabricated using on excimer laser" Journal of Biomedical Materials Research. 31. 235-242 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] M.Tanahashi,T.Kokubo,T.Matsuda: "Quantitative assessment of apatite formation via a biomimetic method using quartz crystal microbalance" Journal of Biomedical Materials Research. 31. 243-249 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] T.Matsuda,T.Sugawara: "Synthesis of Multifunctional,Nonionic Vinyl Polymers and Their ^<13>C Spin-Lattice Relaxation Times in Deuterium Oxidie Solutions" Macromolecules. 29. 5375-5383 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] T.Sugawara,T.Matsuda: "Synthesis of phenylazido-derivatized substances and photochemical surface modification to immobilize functional groups" Journal of Biomedical Materials Research. 32. 157-164 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Y.Nakayama,T.Matsuda: "Excimer laser-induced surface fixation of polymer and its patterning" J.Appl.Phys.80. 505-508 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] S.Nagahara,T.Matsuda: "Hydrogel formation via hybridization of oligonucleotides derivatized in water-soluble vinyl polymers" Polymer Gel and Networks. 4. 111-127 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] T.Matsuda,N.Saito,T.Sugawara: "Ceric-lon-initiating surface graft polymerization with regional control and dimensional precision" Macromolecules. 29. 7446-7451 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Y.Nakayama,T.Matsuda: "Surface macromolecular architectual designs using photo-graft copolymerization based on photochemistry of Benzyl N,N-diethyldithiocarbamate" Macromolecules. 29. 8622-8630 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] S.Nagahara,T.Matsuda: "Cell-substrate and cell-cell interactions differently regulate cytoskeletal and extracellular matrix protein gene expression" Journal of Biomedical Materials Research. 32. 677-686 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] T.Matsuda,T.Sugawara: "Control of cell adhesion,migration,and orientation on photochemically microprocessed surfaces" Journal of Biomedical Materials Research. 32. 165-173 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] K.Doi,S.Satoh,T.Oka,T.Matsuda: "Impregnation of basic fibroblast growth factor on a microporous small caliber graft enhances vascularization" ASAIO Journal. 42 (5). M394-M398 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] K.Takamizawa,S.Niu,T.Matsuda: "Mathematical simulation of unidirectional tissue formation : in vitro transanastomotic endothelialization model" Journal of Biomaterials Sience,Polymer Edition. 8 (4). 323-324 (1997)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] N.Saito, T.Sugawara, T.Matsuda: "Synthesis and Hydrophilicity of Multifunctionally Hydroxylated Poly (acrylamides)" Macromolecules. 29. 313-319 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] H.Kito, T.Matsuda: "Biocompatible coatings for Luminal and Outer Surfaces of Small-Caliber Artificial Grafts" Journal of Biomedical Meterials Research. 30. 321-330 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] J.Hirai, T.Matsuda: "Venous Reconstruction Using Hybrid Vascular Tissue Composed of Vascular Cells and Collagen : Tissue Rageneration Process" Cell Transplantation. 5. 93-105 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] K.Doi, Y.Nakayama, T.Matsuda: "Novel compliant and Tissue-Permeable Microporous Polyurethane Vascular Prosthesis Fabricated Using and Excimer Laser Ablation Technique" Journal of Biomedical Materials Research. 31. 27-33 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] T.Matsuda, Y.Nakayama: "Surface microarchitectural design in biomedical applications : In VITRO transmural endothelialization on microporous Segmented ployurethane films fabricated using on excimer laser" Journal of Biomedical Materials Research. 31. 235-242 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] M.Tanahashi, T.Kokubo, T.Matsuda: "Quantitative assessment of apatite formation via a biomimetic method using quartz crystal microbalance" Journal of Biomedical Materials Research. 31. 243-249 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] T.Matsuda, T.Sugawara: "Synthesis of Multifunctional, Nonionic Vinyl Polymers and Their ^<13>C Spin-Lattice Relaxation Times in Deuterium Oxide Solutions" Macromolecules. 29. 5375-5383 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] T.Sugawara, T.Matsuda: "Synthesis of phenylazido-derivatized substances and photochemical surface modification to immobilize functional groups" Journal of Biomedical Materials Research. 32. 157-164 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Y.Nakayama, T.Matsuda: "Excimer laser-induced surface fixation of polymer and its patterning" J.Appl.Phys.80. 505-508 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S.Nagahara, T.Matsuda: "Hydrogel formation via hybridization of oligonucleotides derivatized in water-soluble vinyl polymers" Polymer Gel and Networks. 4. 111-127 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] T.Matsuda, N.Saito, T.Sugawara: "Ceric-Ion-initiating surface graft polymerization with regional control and dimensional precision" Macromolecules. 29. 7446-7451 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Y.Nakayama, T.Matsuda: "Surface macromolecular architectual designs using photo-graft copolymerization based on photochemistry of Benzyl N,N-diethyldithiocarbamate" Macromolecules. 29. 8622-8630 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S.Nagahara, T.Matsuda: "Cell-substrate and cell-cell interactions differently regulate cytoskeletal and extracellular matrix protein gene expression" Journal of Biomedical Materials Research. 32. 677-686 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] T.Matsuda, T.Sugawara: "Control of cell adhesion, migration, and orientation on photochemically microprocessed surfaces" Journal of Biomedical Materials Research. 32. 165-173 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] K.Doi, S.Satoh, T.Oka, T.Matsuda: "Impregnation of basic fibroblast growth factor on a microporous small caliber graft enhances vascularization" ASAIO Journal. 42 (5). M394-M398 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] K.Takamizawa, S.Niu, T.Matsuda: "Mathematical simulation of unidirectional tissue formation : in vitro transanastomotic endothelialization model" Journal of Biomaterials Sience, Polymer Edition. 8 (4). 323-324 (1997)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より