細胞の“構造と力の記憶”メカニズムの探求

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19K22944
• 研究機関: 茨城大学
• 研究代表者: 長山 和亮 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 教授 (10359763)
• 研究期間 (年度): 2019-06-28 – 2021-03-31
• キーワード: 細胞バイオメカニクス / メカノバイオロジー / 細胞骨格 / 細胞核 / 恒常性

研究実績の概要

血管や骨などの生体組織は力学環境の変化に応じて「リモデリング」する．このリモデリングを支える細胞内要素として，アクチン細胞骨格が注目されてきた．研究代表者は，最近，アクチン細胞骨格には，一旦バラバラになっても自己の線維構造や配向，さらに発生する力も効率良く再現させる「構造と力の記憶」が備わる可能性に気付いた．このような個々の細胞骨格分子の記憶特性は，外乱に対する組織全体の恒常性を保つ基盤原理となっている可能性が高い．そこで本研究では，この考えを立証するために，アクチン細胞骨格に生化学的・物理的外乱を加え分解させた後，その分子構造や張力が再現する過程を詳しく調べた．そして，細胞の構造と力の記憶メカニズムを探るとともに，その生理的意義を明らかにすることを目的とした．最終年度は，細胞老化と，細胞構造の復帰能力との関わりに着目し研究を展開した．ブタ胸大動脈由来平滑筋細胞を対象として，継代数が比較的少ない細胞と，継代を重ねて老化を進ませた細胞を準備し，細胞骨格構造を一旦破壊した後の復帰過程を詳細に調べた．継代数が若い細胞は，比較的細長い形態をしているが，継代数が進むことで個々のアクチン細胞骨格の収縮能も顕著に低下していった．細胞骨格破壊後の形態再現能力についても，継代数が進むと低下していった．一方で，個々のストレスファイバを切断した場合の復帰能力については，継代数が進むほど復帰し易い傾向が見られ，ストレスファイバ同士の融合のし易さなどが影響しているといった新たな知見が得られた．

研究成果

• [雑誌論文] Macroscopic and microscopic analysis of the mechanical properties and adhesion force of cells using a single cell tensile test and atomic force microscopy: Remarkable differences in cell types (2020)
  • 著者名/発表者名: Nagayama Kazuaki、Ohata Shigeaki、Obata Shota、Sato Akiko
  • 雑誌名: Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials 巻: 110 ページ: 103935～103935
  • DOI: 10.1016/j.jmbbm.2020.103935
  • 査読あり
• [雑誌論文] Moderate substrate stiffness induces vascular smooth muscle cell differentiation through cellular morphological and tensional changes (2020)
  • 著者名/発表者名: Nagayama Kazuaki、Nishimiya Kouhei
  • 雑誌名: Bio-Medical Materials and Engineering 巻: 31 ページ: 157～167
  • DOI: 10.3233/BME-201087
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantitative Analysis of Contractile Ability of Vascular Smooth Muscle Cells Using a Micropillar Substrate and a Laser Nanoscissor System (2020)
  • 著者名/発表者名: NAGAYAMA Kazuaki、NOGAMI Kenzo、SUGANO Shunta
  • 雑誌名: Journal of the Japan Society for Precision Engineering 巻: 86 ページ: 813～818
  • DOI: 10.2493/jjspe.86.813
  • 査読あり
• [雑誌論文] Analysis of vascular smooth muscle cell and HeLa cell migration on the microgrooved substrate (Cell type differences of the mechanical sensing for microgrooved surfaces) (2020)
  • 著者名/発表者名: HANZAWA Tatsuya、NAGAYAMA Kazuaki
  • 雑誌名: Transactions of the JSME (in Japanese) 巻: 86 ページ: 20-00301
  • DOI: 10.1299/transjsme.20-00301
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of an in-process micro tensile tester and its application for measurement of the mechanical properties and adhesion forces of cells (Quantitative analysis of a cancer cell stiffness and adhesion forces) (2020)
  • 著者名/発表者名: OBATA Shota、NAGAYAMA Kazuaki
  • 雑誌名: Transactions of the JSME (in Japanese) 巻: 86 ページ: 20-00311
  • DOI: 10.1299/transjsme.20-00311
  • 査読あり
• [学会発表] セルソーティング技術への応用を目指した微細溝基板上での細胞運動解析 ～細胞種ごとの微細溝感知能の違い～ (2020)
  • 著者名/発表者名: 半沢達也，長山和亮
  • 学会等名: 日本機械学会2020年度 茨城講演会
• [学会発表] 顕微鏡下マイクロ引張試験機の開発と細胞の力学特性と接着力の定量解析 ～正常細胞とがん細胞の力学特性・接着特性の違い～ (2020)
  • 著者名/発表者名: 小幡祥太，上杉薫，長山和亮
  • 学会等名: 日本機械学会2020年度 茨城講演会
• [学会発表] 血管平滑筋細胞の脱分化・老化による細胞内構造の復帰能力の変化， (2020)
  • 著者名/発表者名: 野上謙三，長山和亮
  • 学会等名: 日本機械学会2020年度 茨城講演会
• [学会発表] 血管平滑筋細胞の脱分化・老化に伴う張力・運動能力・力学特性の変化 (2020)
  • 著者名/発表者名: 野上謙三，長山和亮
  • 学会等名: 第31回日本機械学会バイオフロンティア講演会
• [学会発表] 顕微鏡下マイクロ引張試験機の開発と細胞の力学特性と接着力の定量解析 ～細胞種による力学特性・接着特性の違い～ (2020)
  • 著者名/発表者名: 小幡祥太，長山和亮
  • 学会等名: 日本機械学会2020年度年次大会
• [備考] 茨城大学研究者情報（長山和亮）茨城大学
  • URL: https://info.ibaraki.ac.jp/Profiles/27/0002641/profile.html
• [備考] マイクロ・ナノバイオメカニクス研究室（長山研）ホームページ
  • URL: http://biomech.mechsys.ibaraki.ac.jp/index.html