生体分子・細胞の力学応答と組織再構築のマイクロバイオメカニクス

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13898022
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 佐藤 正明 東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (30111371)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 梶谷 文彦 岡山大学, 医学部, 教授 (70029114) ; 安藤 譲二 東京大学, 大学院・医学系研究科, 教授 (20159528) ; 林 紘三郎 大阪大学, 大学院・基礎工学研究科, 教授 (90026196) ; 山口 隆美 東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (30101843) ; 立石 哲也 東京大学, 大学院・工学系研究科, 教授
• Keywords: マイクロ・ナノバイオメカニクス / 生体分子 / 細胞 / 力学応答 / 組織工学 / テンセグリティ

Research Abstract

研究領域を次の5領域に分け,それぞれの領域を分担して研究動向の調査を進めるとともに,年3回の全体会議で調査内容の報告をおこない,かつ今後の研究の展開について議論した.
1)生体分子・細胞の応力・ひずみ計測とマイクロバイオメカニクス
生体の機能を理解し,新しい機能をもった生体器械や材料の開発を考えるとき,生体分子や細胞のマイクロおよびナノレベルでの力学特性の把握や計測が益々重要になりつつあり,バイオメカニクスの新たなパラダイム確立の必要惟が認識された.
2)生体分子・細胞の力学刺激感知機構
力学的刺激に対して細胞が応答することはよく知られた事実であるが,その細部については不明である.上記の力学特性の計測と併せて,細胞の新たな応用を展開する上で,力学応答の理解の重要性が改めて認識された.
3)細胞内骨格構造とテンセグリティ
細胞に対する力学刺激の受容とシグナル伝達の機構に細胞内骨格構造が重要な働きをしている可能性があり,その1つの概念としてテンセグリティがある.力学的構造と生物学的反応を同時に解明する手法を確立することを目的として本概念の重要性が指摘された.
4)力学環境制御による組織工学への展開
各種の細胞は力学的刺激に応じて種々の物質を細胞内外に供給することが知られている.この機構を明らかにすることは,細胞の力学応答の機構の解明のみならず,この応答を利用して組織工学あるいは有用物質の生産にも応用する道を開くものとなる.このための研究の方向性と基盤技術の必要性を確認した.
5)計算マイクロバイオメカニクス
計算科学,とりわけ,流体,固体,熱,分子などmulti-physicsな計算力学の手法を生体分子および細胞に適用して,実験などでは再現あるいは実測することが不可能な生命現象を解析することの重要性を確認した.

Research Products

• [Publications] 大橋俊朗: "流体-構造連成解析による流れ負荷培養内皮細胞の構造最適化シミュレーション"日本数値流体力学会雑誌. 9-4. 99-105 (2001)
• [Publications] 佐藤正明: "細胞のバイオレオロジー -細胞の形態を決定する構造因子は?-"日本バイオレオロジー学会誌. 15-2. 35-37 (2001)
• [Publications] Miyazaki H: "Effects of cyclic strain on the morphology and phagocytosis of macrophages"Biomed Mater Eng. 11-4. 301-309 (2001)
• [Publications] Fridez P: "Short-Term biomechanical adaptation of the rat carotid to acute hypertension : contribution of smooth muscle"Ann Biomed Eng. 29-1. 26-34 (2001)
• [Publications] Yamamoto T: "In vivo visualization of characteristics of renal microcirculation in hypertensive and diabetic rats"Am J Physiol Renal Physiol. 281-3. F571-F577 (2001)
• [Publications] Tanaka H: "The motor domain determines the large step of myosin-V"Nature. 415-6868. 192-195 (2001)
• [Publications] 柳田敏雄: "ブラウン運動を巧みに使う筋肉分子"日経サイエンス. 31-10. 30-37 (2001)
• [Publications] Aoki T: "Non-Contact Electrostatic Surface Force Imaging of Single Protein in Filaments using Intermolecular Force Microscopy"Single Molecules. 2-3. 183-190 (2001)
• [Publications] Ishii Y: "Single molecule nanomanipulation of biomolecules"Trends in Biotechnology. 19-6. 211-216 (2001)
• [Publications] Korenaga R: "Sp1-mediated downregulation of P2X4 receptor gene transcription in endothelial cells exposed to shear stress"Am J Physiol Heart Circ Physiol. 280-5. H2214-H2221 (2001)
• [Publications] 安藤譲二: "メカニカルストレスによる血管機能制御"Therapeutic Research. 22-12. 2657-2666 (2001)
• [Publications] 井原真紀: "有限要素法を用いた軟骨組織のひずみ解析"日本臨床バイオメカニクス学会誌. 22. 41-44 (2001)
• [Publications] Kurata K: "Mechanical strain effect on bone-resorbing activity and messenger RNA expressions of marker enzymes in isolated osteoclast culture"J Bone Miner Res. 16-4. 722-730 (2001)
• [Publications] Wada S: "The effect of creating a moderate stenosis on the localization of intimal thickening in the common carotid artery of the rabbit fed on a cholesterol-rich diet"JSME Int J, Ser C. 44-4. 1021-1030 (2001)
• [Publications] Niwa K: "p38 MAPK and Ca2+ contribute to hydrogen peroxide-induced increase of permeability in vascular endothelial cells but ERK does not"Free Radic Res. 35-5. 519-527 (2001)
• [Publications] Adachi T: "Trabecular surface remodeling simulation for cancellous bone using microstructural voxel finite element models"J Biomech Eng. 123-5. 403-409 (2001)
• [Publications] Adachi T: "Effect of actin filament on deformation-induced Ca2+ response in osteoblast-like cells"JSME Int J, Ser C. 44-4. 914-919 (2001)
• [Publications] 坪田健一: "固定用スクリュー近傍の三次元骨梁リモデリングシミュレーション"日本臨床バイオメカニクス学会誌. 22. 35-39 (2001)