自発的に形成された細胞内力学場での物理刺激の時空間制御

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17K20093
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 古川 克子 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (90343144)
• 研究期間 (年度): 2017-06-30 – 2020-03-31
• キーワード: 内部応力 / 外部刺激 / 3次元造形 / 物理刺激負荷デバイス

研究実績の概要

細胞外マトリックス様の格子構造を作製して間葉系幹細胞を播種して培養したところ，特定の寸法を有する構造の上で，間葉系幹細胞の骨芽細胞様細胞への分化が誘導されることがわかった．このメカニズムを解明するために，細胞内の応力を抑制する薬剤処理を行ったところ，細胞が接しているマイクロ構造の細胞の分化が抑制されることがわかった．このことは，静的な培養環境でも，細胞が接している基盤の構造を制御することにより，細胞内応力をコントロールすることができることを意味していると推察された．
さらに，細胞外部のマイクロ基盤上に間葉系幹細胞を播種し，外部から引張刺激を負荷できる装置を開発した．開発した装置は，本造形で作製した基盤の構造をPDMS膜に転写した膜を装置にセットできる仕様を有する．凹凸構造を有するPDMS膜に播種した細胞に引張応力を加えて培養した結果，格子様の構造を有する基盤上の間葉系幹細胞はさらに高い骨芽細胞様のマトリックスの産生能力を保有することが示された．
生体内での細胞はコラーゲンファイバーなどの細胞外マトリックスの上に接着して存在している．本研究ではこれらの状況をミミックしうる構造を作製することにより細胞内部の応力状態をコントロールした．そのうえで，細胞外部から物理刺激を負荷することにより，さらに間葉系幹細胞の分化の促進効果があることを見出した．本研究で得られた知見は生体内における疾患発症や恒常性維持の観点で重要な発見となりうることが期待されるだけでなく，再生医療への貢献が高く期待される成果であったと考えている．

研究成果

• [雑誌論文] Local Strain Distribution and Increased Intracellular Ca2+ Signaling in Bovine Articular Cartilage Exposed to Compressive Strain (2020)
  • 著者名/発表者名: Huang Wenjing、Nagasaka Minami、Furukawa Katsuko S.、Ushida Takashi
  • 雑誌名: Journal of Biomechanical Engineering 巻: 142 ページ: 061008-1～9
  • DOI: 10.1115/1.4045807
  • 査読あり
• [雑誌論文] New microvascular anastomotic device for end-to-side anastomosis using negative pressure; a preliminary study (2020)
  • 著者名/発表者名: Tachi Kazufumi、Furukawa Katsuko S.、Koshima Isao、Ushida Takashi
  • 雑誌名: Journal of Plastic Surgery and Hand Surgery 巻: Published online ページ: 1～5
  • DOI: 10.1080/2000656X.2020.1729776
  • 査読あり
• [雑誌論文] 機械的刺激負荷により惹起された細胞内PLC-IP3シグナル応答のFRETを用いたリアルタイムイメージング (2020)
  • 著者名/発表者名: 張 珉箕, 林恵範, 古川 克子，牛田多加志
  • 雑誌名: 日本臨床バイオメカニクス学会誌 巻: In press ページ: In press
  • 査読あり
• [雑誌論文] Local Strain DistributionandIncreased Intracellular Ca2+ Signalingin BovineArticular 1 Cartilage Exposed to Compressive Strain (2020)
  • 著者名/発表者名: Wenjing Huang, Minami Nagasaka, Katsuko S Furukawa, Takashi Ushida
  • 雑誌名: Journal of Biomechanical Engineering 巻: 142(6) ページ: 061008
  • 査読あり
• [雑誌論文] Osteogenic differentiation of murine mesenchymal stem cells by combination of surface topography and uniaxial stress (2020)
  • 著者名/発表者名: Heonuk Jeong, Xiaoguang Yang, Zihan Pei, Takashi Ushida and Katsuko S Furukawa
  • 雑誌名: Journal of Biomechanical Science Engineering 巻: In press ページ: In press
  • 査読あり
• [雑誌論文] Suppressed osteogenic differentiation of murine mesenchymal stem cell by narrow microgrooves (2020)
  • 著者名/発表者名: Heonuk Jeong, Xiaoguang Yang, Ushida Takashi, Katsuko S Furukawa
  • 雑誌名: Japanese Journal of Clinical Biomechanics 巻: In press ページ: In press
  • 査読あり
• [雑誌論文] A mismatch between local chondrocyte death and mechanical properties of porcine articular cartilage exposed to injurious compression (2020)
  • 著者名/発表者名: Wenjing Huang, Hikaru Sasaki, Katsuko S Furukawa, and Takashi Ushida
  • 雑誌名: Japanese Journal of Clinical Biomechanics 巻: In press ページ: In press
  • 査読あり
• [雑誌論文] Acquired contractile ability in human endometrial stromal cells by passive loading of cyclic tensile stretch (2020)
  • 著者名/発表者名: Jeonghyun Kim, Takashi Ushida, Kevin Montagne, Yasushi Hirota, Osamu Yoshino, Takehiro Hiraoka, Yutaka Osuga, and Katsuko S Furuakwa
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: In press ページ: In press
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of internal perfusion bioreactor to promote decellularization for rat uterine tissue (2020)
  • 著者名/発表者名: Narintadeach Charoensombut, Kinyoshi Kawabata, Tsuyoshi Kimura, Akio Kishida, Takashi Ushida, Katsuko S Furukawa
  • 雑誌名: Japanese Journal of Clinical Biomechanics 巻: - ページ: -
• [雑誌論文] Extracellular matrix derived hydrogel from decellularised uterine tissue: A synthesis and analysis (2019)
  • 著者名/発表者名: Vutipongsatorn Kritchai、Kim Jeonghyun、Kinyoshi Kawabata、Charoensombut Narintadeach、Shu Takeda、Ushida Takashi、Furukawa Katsuko
  • 雑誌名: Clinical Medicine 巻: 19 ページ: 102～102
  • DOI: 10.7861/clinmedicine.19-2-s102
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fabrication and characterization of extracellular matrix hydrogel derived from uterine decellularized tissues (2019)
  • 著者名/発表者名: KAWABATA Kinyoshi、KIM Jeonghyun、CHAROENSOMBUT Narintadeach、KIMURA Tsuyoshi、KISHIDA Akio、USHIDA Takashi、FURUKAWA Katsuko S
  • 雑誌名: The Proceedings of the Bioengineering Conference Annual Meeting of BED/JSME 巻: 2019.31 ページ: 2C24～2C24
  • DOI: 10.1299/jsmebio.2019.31.2C24
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fabrication of uterine decellularized matrix using high hydrostatic pressure through depolymerization of actin filaments (2019)
  • 著者名/発表者名: KIM Jeonghyun、TAKEDA Shu、CHAROENSOMBUT Narintadeach、KAWABATA Kinyoshi、KISHIMOTO Yugo、KIMURA Tsuyoshi、KISHIDA Akio、USHIDA Takashi、FURUKAWA, Katsuko S
  • 雑誌名: Journal of Biomechanical Science and Engineering 巻: 14 ページ: 19
  • DOI: https://doi.org/10.1299/jbse.19-00097
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hydrostatic pressurization of dissociated ATDC5 aggregates as an in vitro model of mechanical load-induced chondrocyte damage (2019)
  • 著者名/発表者名: Kevin Montagne, Katsuko S. Furukawa, Takashi Ushida
  • 雑誌名: AATEX Journal 巻: 24(2) ページ: 75-82
  • DOI: https://doi.org/10.11232/aatex.24.75
  • 査読あり
• [雑誌論文] Assessment of the Inner Surface Microstructure of Decellularized cortical bone by a scanning electron microscope (2019)
  • 著者名/発表者名: Honuk Jeong, Jun Asai, Takashi Ushida, Katsuko S Furukawa
  • 雑誌名: Bioengineering (Basel) 巻: 6(3) ページ: 86-93
  • DOI: 10.3390/bioengineering6030086
  • 査読あり
• [学会発表] 超高静水圧を用いた子宮脱細胞化組織作製手法の評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 河鰭 公祥, チャロエンソムバット ナリンタデチ, 王 東哲, 金田 昴, 金 定賢, 木村 剛, 岸田 晶夫, 牛田 多加志, 古川 克子
  • 学会等名: 第19回日本再生医療学会総会
• [学会発表] Fabrication of decellularized uterine scaffold by enzymatic-high hydrostatic pressure (2020)
  • 著者名/発表者名: Charoensombut Narintadeach, 金定賢, 河鰭公祥, 木村剛, 岸田晶夫, 牛田多加志, 古川克子
  • 学会等名: 第19回日本再生医療学会総会
• [学会発表] Osteoclast Differentiation of Murine Precursor Cells on Microgroove Patterned Substrate (2019)
  • 著者名/発表者名: Heonuk Jeong, Dain Kim, Takashi Ushida, Katsuko S. Furukawa
  • 学会等名: TERMIS-EU 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Control of Osteogenic Differentiation Timing by Substrate Microtopography (2019)
  • 著者名/発表者名: Heonuk Jeong, Xiaoguang Yang, 牛田多加志, 古川克子
  • 学会等名: 日本機械学会2019年度年次大会
• [学会発表] 軟骨前駆細胞における過大静水圧力による変形性関節症関連遺伝子の変動の検討 (2019)
  • 著者名/発表者名: モンターニュ ケヴィン, 小沼 泰子,伊藤 弓弦, 相木 泰彦, 古川克子,牛田 多加志
  • 学会等名: 日本機械学会2019年度年次大会
• [学会発表] 超高静水圧を用いた子宮脱細胞化組織の作製 (2019)
  • 著者名/発表者名: 河鰭公祥, チャロエンソムバットナリンタデチ, 岸本侑吾, 金定賢, 王東哲, 金田昴, 木村剛, 岸田晶夫, 牛田多加志, 古川克子
  • 学会等名: 第46回日本臨床バイオメカニクス学会
• [学会発表] Development of enzymatic-high hydrostatic pressure method to decellularized uterine tissue for uterus regeneration in murine model (2019)
  • 著者名/発表者名: Narintadeach CHAROENSOMBUT, Kim Jeong Hyun, 河鰭公祥, 木村剛, 岸田晶夫, 牛田多加志, 古川克子
  • 学会等名: 第46回日本臨床バイオメカニクス学会
• [学会発表] 細胞微小変形に対する細胞内シグナル応答のリアルタイムイメージング (2019)
  • 著者名/発表者名: Chang Minki, Montagne Kevin, 古川克子, 牛田多加志
  • 学会等名: 第46回日本臨床バイオメカニクス学会
• [学会発表] Control of Cell Adhesion and Osteogenic Differentiation by Substrate Microtopography and Uniaxial Tensile Strains (2019)
  • 著者名/発表者名: ジョン ホヌク, ヤン シャオガン, Pei Zihan, 牛田多加志,古川克子
  • 学会等名: 第46回日本臨床バイオメカニクス学会
• [学会発表] High hydrostatic pressure mimics pro-osteoarthritic changes in chondrocyte precursor cells (2019)
  • 著者名/発表者名: kevin Montagne, Yasuo Onuma, Yuzuru Ito, Aiki Yasuhiro, Katsuko Furukawa, Takashi Ushida
  • 学会等名: 日本動物実験代替法学会 第32回大会
• [学会発表] Osteoclast Differentation of Murine Prcursor Cells on Microgroove Patterned Substrate (2019)
  • 著者名/発表者名: Heonuk Jeong, Dain Kim, Takashi Ushida, Katsuko Furukawa
  • 学会等名: AP Biomech2019
  • 国際学会
• [図書] 脱細胞化組織の作製法と医療・バイオ応用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 岸田晶夫、山岡哲二、干場隆志 他
  • 総ページ数: 229
  • 出版者: シーエムシー出版
  • ISBN: 978-4-7813-1412-9
• [図書] バイオ3Dプリント関連技術の開発と応用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 古川克子他
  • 総ページ数: 269
  • 出版者: シーエムシー出版
  • ISBN: 978-4-7813-1432-7