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2018 年度 実績報告書

ヒト由来筋細胞を用いた「収縮型培養筋細胞作製システム」の構築とその応用

研究課題

研究課題/領域番号 17H02076
研究機関東北大学

研究代表者

神崎 展  東北大学, 医工学研究科, 准教授 (10272262)

研究分担者 萩原 嘉廣  東北大学, 医学系研究科, 准教授 (90436139)
研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2020-03-31
キーワード骨格筋 / 筋細胞 / 特殊培養システム / 運動 / サルコペニア / 生活習慣病 / 細胞診断 / フレイル
研究実績の概要

本研究課題では、これまでマウス骨格筋細胞系を用いて開発してきた電気パルス刺激(EPS)特殊培養システムに改良を加えることにより、健常者のみならず、高齢者や腱板断裂患者から採取単離した筋衛星細胞を用いた「運動できる培養ヒト筋細胞系」を構築することを目的としている。
昨年度はヒト筋細胞の脆弱性を補強する目的でフィーダー細胞との混合培養系を構築することに成功した。H30年度は混合培養系をさらに発展させたマウス筋芽細胞株と初代ヒト筋芽細胞(筋衛星細胞)とのハイブリッド筋管細胞系を新たに構築した。これは筋分化にともない筋芽細胞同士が融合して多核の筋管細胞となる特性を利用したものであり、この異種ハイブリッド筋管細胞を作製してEPS特殊培養系へと導入することにより極めて高い収縮能力を獲得させることに成功した。さらに、このハイブリッド筋管細胞の運動刺激応答性の生物反応(各種マイオカイン遺伝子群の発現亢進)について、種差を考慮したRT-PCR手法を開発することにより、ヒト由来およびマウス由来の各々の遺伝子発現変動を正確に評価することを可能にした。さらに、種差を考慮したBioPlexアッセイ法によりヒト由来マイオカインを正確に計測することに成功し、収縮活動負荷によってインターロイキン類 (IL-6, IL-8, IL-10, and IL16), CXC ケモカイン類 (CXCL1, CXCL2, CXCL5, CXCL6, CXCL10), CCケモカイン類 (CCL1, CCL2, CCL7, CCL8, CCL11, CCL13, CCL16, CCL17, CCL19, CCL20, CCL21, CCL22, CCL25, CCL27), さらに IFN-γの分泌増加が誘導されることを見出した。また、EPS特殊培養系へと適応できる領域限局導電型のインサートチェンバ-を新たに開発した。

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

昨年度はマウス3T3L1線維芽細胞をフィーダー細胞としてヒト筋細胞の脆弱性を補強する混在培養系を確立しヒト筋細胞の収縮能力の発達と運動応答性の生物反応評価を達成した。H30年度は共培養技術をさらに発展させたハイブリッド筋管細胞系を構築した。これはマウス筋芽細胞株(C2C12細胞)とヒトより単離した初代筋衛星細胞(筋芽細胞)を予め混在培養することにより筋分化に伴い互いに細胞融合させる手法であり、ヒト筋細胞単独に比してハイブリッド筋管細胞の収縮活動能力は飛躍的に発達することを確認できた。ハイブリッド筋管細胞内にはマウス由来とヒト由来の核が共存し、収縮活動負荷に応答して各々の核内ではマイオカイン遺伝子群を含めた転写活性亢進が惹起される。この異種ハイブリッド細胞においても、収縮運動活動に応答して惹起されるヒト筋核に由来する高次生物反応(マイオカイン遺伝子の発現)を、種差を考慮したRT-PCR手法により選択的に評価することを可能にした。
また、将来的にこの「運動できる培養ヒト筋細胞系」を疾患筋細胞の機能評価システムへと応用展開することを目的として、EPS特殊培養系に適応が可能な領域限局型導電特性を有するインサートチェンバーを開発した。水平対向炭素電極間にこの特殊インサートチェンバー(筋細胞を予め播種)を設置することにより、効率的に内部の筋管細胞にEPSを付与することができる。この新手法を用いることにより、EPS実験(1サンプルあたり)に必要となる筋細胞数を1/10程度に削減、さらに多検体化も可能となり、患者より採取した希少なヒト筋細胞を有効に研究活用することができる。これまでに構築した混在培養系・混合ハイブリッド培養系と組み合わせることにより、他に類を見ない疾患筋細胞の機能評価システムを達成できると考えている。

今後の研究の推進方策

本年度は、このヒト筋細胞とマウス筋細胞からなるハイブリッド筋細胞系を用いて、運動負荷量(収縮強度、時間、パターン)に応答した高次生物応答性を正確にモニターできる評価系を構築する。特に、異種混合筋管細胞から、ヒト筋細胞成分に由来する生物応答のみを精密に計測する技術基盤については、種差を注意深く考慮した検討を行うことにより、最終的には「混在培養システム」にて種々の高次筋機能を診断できる「RT-PCR用primers」と「BioPlex多検体アッセイ」をデータベース化して将来的な活用を目指す(独自の評価/診断システムの構築)。
この際、収縮能の獲得(=サルコメア構造の発達)の過程の観察にとどまらず、EPS停止後のサルコメア崩壊現象にも注目し、その萎縮耐性を指標として不動化による筋萎縮機序の解明へと展開する。(全く新しいタイプの筋萎縮研究/診断への貢献)。
さらに「腱板断裂の疾患筋組織/細胞」における変動遺伝子群の発現プロファイルを精査し、健常部と患側部(不動化部位)における顕著な発現差異を示す遺伝子群を掌握するとともに、臨床知見との照合解析を行う。各々患者から採取したヒト筋細胞の一般的性状解析に加えて、EPS特殊培養系を用いて運動能発達性や筋萎縮度(機能特性)と機能未知遺伝子群の発現プロファイル(運動負荷vs.EPS停止/不動化)を比較解析する。これらの検討を行うことにより、筋不動化や加齢との関連性(病態生理的意義)や、運動効果発現への寄与(生理的役割)について、独自の切り口で探索する。

  • 研究成果

    (35件)

すべて 2020 2019 2018 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (11件) (うち国際共著 3件、 査読あり 9件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (19件) (うち国際学会 9件、 招待講演 6件) 備考 (1件) 産業財産権 (1件)

  • [国際共同研究] University of Michigan(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      University of Michigan
  • [国際共同研究] LENS-Eur. Lab. Non-linear Spectroscopy/University of Florence/INO-National Institute of Optics(イタリア)

    • 国名
      イタリア
    • 外国機関名
      LENS-Eur. Lab. Non-linear Spectroscopy/University of Florence/INO-National Institute of Optics
  • [国際共同研究] Strasbourg University/CEED (Centre European Etude de Diabetes)(フランス)

    • 国名
      フランス
    • 外国機関名
      Strasbourg University/CEED (Centre European Etude de Diabetes)
  • [雑誌論文] Effects of Acute Exercise Combined With Calorie Restriction Initiated Late-in-Life on Insulin Signaling, Lipids, and Glucose Uptake in Skeletal Muscle From Old Rats2020

    • 著者名/発表者名
      Oki Kentaro、Arias Edward B、Kanzaki Makoto、Cartee Gregory D
    • 雑誌名

      The Journals of Gerontology: Series A

      巻: 75(2) ページ: 207-217

    • DOI

      10.1093/gerona/gly222

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] 2型糖尿病治療薬メトホルミンの肝臓における真なる薬理機序2019

    • 著者名/発表者名
      神﨑 展
    • 雑誌名

      実験医学

      巻: 37 (1) ページ: 60-61

  • [雑誌論文] Cooperative actions of Tbc1d1 and AS160/Tbc1d4 in GLUT4-trafficking activities2018

    • 著者名/発表者名
      Hatakeyama Hiroyasu、Morino Taisuke、Ishii Takuya、Kanzaki Makoto
    • 雑誌名

      Journal of Biological Chemistry

      巻: 294 ページ: 1161~1172

    • DOI

      10.1074/jbc.RA118.004614

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Prior treatment with the AMPK activator AICAR induces subsequently enhanced glucose uptake in isolated skeletal muscles from 24-month-old rats2018

    • 著者名/発表者名
      Oki Kentaro、Arias Edward B.、Kanzaki Makoto、Cartee Gregory D.
    • 雑誌名

      Applied Physiology, Nutrition, and Metabolism

      巻: 43 ページ: 795~805

    • DOI

      10.1139/apnm-2017-0858

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Contractile Skeletal Muscle Cells Cultured with a Conducting Soft Wire for Effective, Selective Stimulation2018

    • 著者名/発表者名
      Nagamine Kuniaki、Sato Hirotaka、Kai Hiroyuki、Kaji Hirokazu、Kanzaki Makoto、Nishizawa Matsuhiko
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 8 ページ: -

    • DOI

      10.1038/s41598-018-20729-y

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Involvement of neutrophils and interleukin-18 in nociception in a mouse model of muscle pain2018

    • 著者名/発表者名
      Yoshida Shinichirou、Hagiwara Yoshihiro、Tsuchiya Masahiro、Shinoda Masamichi、Koide Masashi、Hatakeyama Hiroyasu、Chaweewannakorn Chayanit、Yano Toshihisa、Sogi Yasuhito、Itaya Nobuyuki、Sekiguchi Takuya、Yabe Yutaka、Sasaki Keiichi、Kanzaki Makoto、Itoi Eiji
    • 雑誌名

      Molecular Pain

      巻: 14 ページ: -

    • DOI

      10.1177/1744806918757286

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Olfactory receptors are expressed in pancreatic β-cells and promote glucose-stimulated insulin secretion2018

    • 著者名/発表者名
      Munakata Yuichiro、Yamada Tetsuya、Imai Junta、Takahashi Kei、Tsukita Sohei、Shirai Yuta、Kodama Shinjiro、Asai Yoichiro、Sugisawa Takashi、Chiba Yumiko、Kaneko Keizo、Uno Kenji、Sawada Shojiro、Hatakeyama Hiroyasu、Kanzaki Makoto、Miyazaki Jun-ichi、Oka Yoshitomo、Katagiri Hideki
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 8 ページ: -

    • DOI

      10.1038/s41598-018-19765-5

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Retained Myogenic Potency of Human Satellite Cells from Torn Rotator Cuff Muscles Despite Fatty Infiltration2018

    • 著者名/発表者名
      Koide Masashi、Hagiwara Yoshihiro、Tsuchiya Masahiro、Kanzaki Makoto、Hatakeyama Hiroyasu、Tanaka Yukinori、Minowa Takashi、Takemura Taro、Ando Akira、Sekiguchi Takuya、Yabe Yutaka、Itoi Eiji
    • 雑誌名

      The Tohoku Journal of Experimental Medicine

      巻: 244 ページ: 15~24

    • DOI

      10.1620/tjem.244.15

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Three-Dimensional Tracking of Quantum Dot-Conjugated Molecules in Living Cells2018

    • 著者名/発表者名
      Gardini Lucia、Calamai Martino、Hatakeyama Hiroyasu、Kanzaki Makoto、Capitanio Marco、Pavone Francesco Saverio
    • 雑誌名

      Methods in molecular biology

      巻: 1841 ページ: 425~448

    • DOI

      10.1007/978-1-4939-8591-3_26

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Neutrophils Provide a Favorable IL-1-Mediated Immunometabolic Niche that Primes GLUT4 Translocation and Performance in Skeletal Muscles2018

    • 著者名/発表者名
      Tsuchiya Masahiro、Sekiai Shigenori、Hatakeyama Hiroyasu、Koide Masashi、Chaweewannakorn Chayanit、Yaoita Fukie、Tan-No Koichi、Sasaki Keiichi、Watanabe Makoto、Sugawara Shunji、Endo Yasuo、Itoi Eiji、Hagiwara Yoshihiro、Kanzaki Makoto
    • 雑誌名

      Cell Reports

      巻: 23 ページ: 2354~2364

    • DOI

      10.1016/j.celrep.2018.04.067

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] イタコン酸によるマクロファージ免疫代謝制御系の解明2018

    • 著者名/発表者名
      神﨑 展
    • 雑誌名

      実験医学

      巻: 36 (11) ページ: 1878-1879

  • [学会発表] 液相中プラズマの安定生成と薬剤分子局所導入2019

    • 著者名/発表者名
      R. Honda,S. Sasaki,K. Takashima,M. Kanzaki,T. Sato,and T. Kaneko
    • 学会等名
      第36回 プラズマプロセシング研究会/第31回 プラズマ材料科学シンポジウム
  • [学会発表] プラズマ照射緩衝液を用いた培養細胞に対する短寿命活性種の持続供給2019

    • 著者名/発表者名
      佐々木 渉太,鄭 悦星,神崎 展,金子 俊郎
    • 学会等名
      仙台“プラズマフォーラム”
  • [学会発表] 多角的光学イメージング計測により解明したマウス骨格筋繊維におけるGLUT4輸送制御とインスリン初期作用2018

    • 著者名/発表者名
      畠山裕康・神崎 展
    • 学会等名
      第61回日本糖尿病学会
  • [学会発表] 大気圧プラズマ反応性 Ca2+ 透過性チャンネルの同定2018

    • 著者名/発表者名
      瀬将義・川口航汰・畠山裕康・ 佐々木渉太・,金子俊郎・神﨑 展
    • 学会等名
      第41回日本分子生物学会
  • [学会発表] Roles of neutrophils and IL-1 in intramuscular immunometabolic niche for priming GLUT4 translocation during exercise2018

    • 著者名/発表者名
      Kanzaki Makoto, Sekiai Shigenori, Hatakeyama Hiroyasu, Chaweewannakorn Chayanit, Sasaki Keiichi, Hagiwara Yoshihiro, Itoi Eiji, Tsuchiya Masahiro
    • 学会等名
      The 54th EASD (European Association for the Study of Diabetes) meeting
    • 国際学会
  • [学会発表] Introduction of drug simulated molecules into adherent cells using in-liquid plasmas2018

    • 著者名/発表者名
      R. Honda,S. Sasaki,K. Takashima,M. Kanzaki,T. Sato,and T. Kaneko
    • 学会等名
      The 6th International Workshop and the 5th International Mini Workshop on Solution Plasma and Molecular Technology
    • 国際学会
  • [学会発表] Gas-Liquid Interfacial Plasmas for Medical and Agricultural Applications2018

    • 著者名/発表者名
      T. Kaneko,K. Takashima,S. Sasaki,R. Honda,K. Nihei,M. Kanzaki,and T. Sato
    • 学会等名
      The 6th International Workshop and the 5th International Mini Workshop on Solution Plasma and Molecular Technology
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Investigation of Chemical Components in Plasma-exposed Organic Buffer for Drug Transfer Application2018

    • 著者名/発表者名
      S. Sasaki,Y. Zheng,M. Kanzaki,and T. Kaneko
    • 学会等名
      7th International Conference on Plasma Medicine (ICPM7)
    • 国際学会
  • [学会発表] Cell Membrane Transport Activated by Gas-Liquid Interfacial Plasmas for Future-Oriented Gene/Drug Transfer Device2018

    • 著者名/発表者名
      T. Kaneko,S. Sasaki,and M. Kanzaki
    • 学会等名
      7th International Conference on Plasma Medicine (ICPM7)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 気液界面プラズマ生成複合刺激による細胞膜輸送促進の機構解明2018

    • 著者名/発表者名
      金子 俊郎,佐々木 渉太,神崎 展
    • 学会等名
      第40回日本光医学・光生物学会
    • 招待講演
  • [学会発表] 液相中プラズマによる薬剤模擬分子導入の作用機序の探索2018

    • 著者名/発表者名
      本田 竜介,佐々木 渉太,高島 圭介,神崎 展,佐藤 岳彦,金子 俊郎
    • 学会等名
      第79回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] Roles of charged particles and reactive species on cell membrane permeabilization induced by atmospheric-pressure plasma irradiation2018

    • 著者名/発表者名
      佐々木 渉太,神崎 展,保苅 雄太郎,冨並 香菜子,目代 貴之,金高 弘恭,金子 俊郎
    • 学会等名
      第79回応用物理学会秋季学術講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] Continuous release of short-lived species induced by plasma irradiation and its application in drug delivery2018

    • 著者名/発表者名
      S. Sasaki,Y. Zheng,M. Kanzaki,and T. Kaneko
    • 学会等名
      2nd Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
    • 国際学会
  • [学会発表] Effects of in-liquid plasma on enhancement of cell membrane permeability2018

    • 著者名/発表者名
      R. Honda,S. Sasaki,K. Takashima,M. Kanzaki,T. Sato,and T. Kaneko
    • 学会等名
      2nd Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
    • 国際学会
  • [学会発表] プラズマ照射緩衝液中で活性化されるラジカル連鎖反応の解明2018

    • 著者名/発表者名
      佐々木 渉太,鄭 悦星,本田 竜介,高島 圭介,神崎 展,金子 俊郎
    • 学会等名
      第35回 プラズマ・核融合学会 年会
  • [学会発表] Effects of short-lived reactive species generated by non-thermal plasma on TRP channels and organic cation uptake2018

    • 著者名/発表者名
      S. Sasaki,M. Kawase,M. Kanzaki,and T. Kaneko
    • 学会等名
      The 49th NIPS International Symposium
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of Gas-Liquid Interfacial Plasma Devices for Medical and Agricultural Applications2018

    • 著者名/発表者名
      T. Kaneko,S. Sasaki,K. Takashima,R. Honda,K. Nihei,M. Kanzaki,and T. Sato
    • 学会等名
      The 5th Taiwan-Japan Plasma Life Science and Technology
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 大気圧プラズマによってトリガされる短寿命活性種の持続放出2018

    • 著者名/発表者名
      S. Sasaki,Y. Zheng,M. Kanzaki,and T. Kaneko
    • 学会等名
      第28回 日本MRS年次大会
  • [学会発表] 気液界面プラズマにおける細胞膜輸送増進短寿命活性種2018

    • 著者名/発表者名
      T. Kaneko,S. Sasaki,R. Honda,Y. Zheng,T. Mokudai,H. Kanetaka and M. Kanzaki
    • 学会等名
      第28回 日本MRS年次大会
    • 招待講演
  • [備考] ResearchGate

    • URL

      https://www.researchgate.net/profile/Makoto_Kanzaki/

  • [産業財産権] 細胞培養用インサート及び電気刺激用培養装置2019

    • 発明者名
      神崎 展
    • 権利者名
      神崎 展
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2019-33091

URL: 

公開日: 2019-12-27  

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