微小気泡と音響放射力による細胞動態制御を応用した3次元多層管腔構造体の形成

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H04547
• 研究機関: 東京農工大学
• 研究代表者: 桝田 晃司 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60283420)
• 研究分担者: 宮本 義孝 国立研究開発法人国立成育医療研究センター, 細胞医療研究部, 研究員 (20425705) ; 鈴木 亮 帝京大学, 薬学部, 教授 (90384784)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: 血管内皮細胞 / 微小気泡 / 細胞凝集体 / 音響放射力

研究実績の概要

我々はこれまで、血管内皮細胞に微小気泡を付着させた細胞凝集体を作成し、超音波による音響放射力を利用して細胞を流体中で誘導、堆積させるための技術を開発してきた。当該年度はまず、凝集体に包含された細胞の超音波照射に対する影響に着目し、微小気泡と細胞の接触状態、および細胞に対する微小気泡の相対的な濃度の影響について検証した。照射音圧の最大値を変化させた連続波照射において、微小気泡と細胞が抗原抗体反応で付着した／していないの両方の条件で、生存率の変化を計測した。音圧増加に伴い、微小気泡が付着した細胞における生存率は低下しないのに対し、付着していない細胞では、恩智音圧、微小気泡の濃度であっても生存率が低下する傾向を確認した。
次に、微小気泡が付着した細胞の制御能を定量的に解析するため、微小気泡を付着させた細胞懸濁液を流路中で通過させ、懸濁液の流れに対向する方向に音波を照射して細胞の捕捉制御を行った。照射する音波は複数焦点を形成し、また各焦点の最大音圧350 kPa-pp以下の条件で、照射時間の重み付けを調整した。 4焦点以下の場合、音圧の増加に伴い捕捉細胞数が増加した。また焦点数の増加に伴い音波のエネルギーが分散し、捕捉細胞数は減少する傾向となった。またこの際、低流速では細胞捕捉の効率が悪く、また高流速では細胞が流されるため、最適な流速値を導出した。さらに、微小気泡と細胞の相対濃度の最適値についても確定し、今後の研究に反映させる確証を得た。最後に、細胞培養の土台としてのコラーゲンゲルの塗布を行い、細胞増殖率が最も高くなる厚さについても知見を得た。

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

様々な音波の条件や微小気泡の状況に対する細胞の生存率の検証、および流体中の細胞の制御能の検証、という2つの課題について、様々な検討を行い、結果を得ることができた。それらは以下の2報の論文にて報告した。

Yoshiki Ito, et al, "Validation of damage on vascular endothelial cells under ultrasound exposure according to adhered situation of bubbles," Jpn J. Applied Physics, Vol.61, in press, 2022

Takumi Chikaarashi, et al, "Experimental study of ultrasound retention of bubble-surrounded cells under conditions of acoustic field and flow velocity," Jpn J. Applied Physics, Vol.61, in press, 2022

今後の研究の推進方策

当初の申請書に記載したとおり、今後は複数種類の細胞による多層管腔構造体の製作法の確立を目指す。異なる種類の細胞に、それぞれ異なる微小気泡を付着させた2種類の凝集体を作成する。微小気泡はそのサイズや材質の構成比によって共振周波数が変化することを利用し、微小気泡の調整法を改善して特定の音波の周波数のみに対して選択的に強く振動し、破壊するための条件を導出する。この際、損傷を受ける細胞が最小限となるように一連のプロトコルを検討し、検証する。その後、第2層となる細胞を堆積させ、同様に浮遊した微小気泡を除去する手続きを経て、管腔構造の成長を図る。

研究成果

• [雑誌論文] Validation of damage on vascular endothelial cells under ultrasound exposure according to adhered situation of bubbles (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshiki Ito, Tatsuya Saito, Shunya Watanabe, Naoya Kajita, Yoshitaka Miyamoto, Ryo Suzuki, Kazuo Maruyama, Daiki Omata and Kohji Masuda
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 61 ページ: SG1066
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac4d61
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Experimental study of ultrasound retention of bubble-surrounded cells under conditions of acoustic field and flow velocity (2022)
  • 著者名/発表者名: Takumi Chikaarashi, Shunya Watanabe, Yoshitaka Miyamoto, Daiki Omata, Kazuo Maruyama, Ryo Suzuki, and Kohji Masuda
  • 雑誌名: Jpn J. Applied Physics 巻: 61 ページ: -
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac54f9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Ultrasound image-guided gene delivery using three-dimensional diagnostic ultrasound and lipid-based microbubbles (2021)
  • 著者名/発表者名: Omata Daiki、Munakata Lisa、Kageyama Saori、Suzuki Yuno、Maruyama Tamotsu、Shima Tadamitsu、Chikaarashi Takumi、Kajita Naoya、Masuda Kohji、Tsuchiya Naoto、Maruyama Kazuo、Suzuki Ryo
  • 雑誌名: Journal of Drug Targeting 巻: 30 ページ: 200～207
  • DOI: 10.1080/1061186X.2021.1953510
  • 査読あり
• [学会発表] 超音波照射条件に対するT細胞の傷害計測とパラメータ依存性の解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 梶田 直哉 ，齊藤 達也 ，伊藤 芳樹 ，近嵐 匠 ，小俣 大樹 ，鈴木 亮 ， 桝田 晃司
  • 学会等名: 第60回日本生体医工学会大会
• [学会発表] 流体中の微小気泡-細胞凝集体の音響放射力に基づく挙動解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 荒木 信乃介，阿久津 亮太，大塚 拓也，齊藤 達也，近嵐 匠，桝田 晃司
  • 学会等名: 第60回日本生体医工学会大会
• [学会発表] 微小気泡濃度と細胞への付着状況を考慮した超音波照射下での血管内皮細胞への影響 (2021)
  • 著者名/発表者名: 伊藤芳樹，齊藤達也，梶田直哉 ，宮本義孝，小俣大樹，丸山一雄，鈴木 亮， 桝田晃司
  • 学会等名: 日本超音波医学会第 94 回学術集会
• [学会発表] 超音波音場形状に対する生体血管壁面での細胞- 微小気泡凝集体の捕捉とその解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 近嵐 匠，梶田直哉，齊藤達也，阿久津亮太，荒木信乃介，小俣大樹，丸山一雄， 鈴木 亮，桝田晃司
  • 学会等名: 日本超音波医学会第 94 回学術集会