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2021 Fiscal Year Annual Research Report

Morphogenesis-based Manufacturing: Construction of optimal structures based on mechanical response of cells

Research Project

Project/Area Number 21H04533
Research InstitutionNagoya University

Principal Investigator

松本 健郎  名古屋大学, 工学研究科, 教授 (30209639)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 前田 英次郎  名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (20581614)
KIM JEONGHYUN  名古屋大学, 工学研究科, 助教 (20844591)
王 軍鋒  名古屋大学, 工学研究科, 研究員 (20898415)
Project Period (FY) 2021-04-05 – 2024-03-31
Keywords力学的適応 / 形態形成 / ものづくり / 骨 / 珪藻 / バイオメカニクス
Outline of Annual Research Achievements

A.組織内力分布を細胞レベルで明らかにする手法の開発:組織内力分布を分子レベルで明らかにするため,FRET型張力センサが開発されている.最近,我々はこのセンサを全身で永続的に発現するトランスジェニックマウスの開発に成功した.このマウスから単離した細胞は張力の変化により蛍光が変化する.この細胞の懸濁液を微細針で組織に注入し,ひずみゲージとして利用する方法を検討した.マウスの胸大動脈から単離した平滑筋細胞を増殖させ,これをラット胸大動脈組織に注入して5日間培養したところ,細胞が組織に生着し,元々の平滑筋細胞と同じ方向を向いてくることが判明したが,培養7日目ではこの配向は消失した.
B.幼若骨組織への力学負荷による力学的最適構造の自発的創成:孵化直後の鶏雛の脛骨から軸方向に垂直に切り出した薄切片(厚さ0.2mm程度)に引張を加えて培養した.我々の以前の研究と同様,石灰化が促進されたが,石灰化に試料の周辺部から中央部に向けて進行するモード1と,中心から周辺に拡がるモード2の2つのモードがあることを見出し,モード1は引張により変化せず,引張により変化するのはモード2であることが判明した.
C.珪藻の被殻形成過程の詳細観察と力学刺激の影響の検討:長円筒状の珪藻であるAulacoseiraに3点曲げを加えつつ培養しても折れずに伸長するのは細胞内圧が高いためではないかと考え,幾つかの方法で細胞内圧の推定を行った.培養液の滲透圧とAulacoseiraの成長率の関係からは50kPa程度,アルカリで処理して珪藻を分解したときの被殻の運動の解析からは1300kPa程度と推定された.まだ内圧のオーダーを推定するところまで行っていないが,100kPa前後の高い圧力が生じている可能性が示唆された.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

上手く行かないことが判明した課題もあるが,研究実施計画の内容は概ね実行できているから.

Strategy for Future Research Activity

骨のテーマを2つに分け,以下の4点について研究を進める:
A.組織内力分布を細胞レベルで明らかにする手法の開発:昨年度の研究を継続し,ひずみゲージ細胞を微細針で組織に注入し,ひずみゲージとして利用する方法の検討を継続する.初年度はマウスの胸大動脈から単離した平滑筋細胞を増殖させ,これをラット胸大動脈組織に注入したが,今年度はマウスの組織について同様の検討を行う.
B1.幼若骨組織への力学負荷による力学的最適構造の自発的創成:孵化直後の鶏雛の脛骨薄切片に引張を加えて培養する研究を継続する.
B2.骨単位構造形成原因の探索:緻密骨内部の骨単位は同心円状のハバース層板で構成されているが,このハバース層板内のコラーゲン線維の配向があたかもゴルフクラブのシャフトのように,互い違いになっており,これにより,捩りに強い構造を作っている.この形成原因を探るため,円錐内面で培養した骨芽細胞の挙動を観察する.
C.珪藻の被殻形成過程の詳細観察と力学刺激の影響の検討:長円筒状珪藻のAulacoseiraの被殻形成過程を詳しく調べる.新たに形成する殻が蛍光を発するようになる試薬PDMPOを入れた培地中で培養し,新たな殻がどのようにして形成されていくのか観察する.

  • Research Products

    (9 results)

All 2022 2021 Other

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results) Presentation (4 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results) Book (1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Rapid fabrication of tendon-like collagen tissue via simultaneous fibre alignment and intermolecular cross-linking under mechanical loading2022

    • Author(s)
      Maeda E, Kawamura R, Suzuki T, Matsumoto T
    • Journal Title

      Biomedical Materials

      Volume: Accepted Pages: -

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Through the cleared aorta: three-dimensional characterization of mechanical behaviors of rat thoracic aorta under intraluminal pressurization using optical clearing method2022

    • Author(s)
      Maeda E, Ando Y, Takeshita K, Matsumoto T
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: In Press Pages: -

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Microscopic characterisation of local strain field in healing tissue in the central third defect of mouse patellar tendon at early-phase of healing2021

    • Author(s)
      Maeda Eijiro、Kuroyanagi Kaname、Matsumoto Takeo
    • Journal Title

      Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials

      Volume: 123 Pages: 104702~104702

    • DOI

      10.1016/j.jmbbm.2021.104702

  • [Presentation] 血管壁に導入したFRET型張力センサ発現平滑筋細胞の形態変化観察2022

    • Author(s)
      道家大悟,沼野翔太,王軍鋒,キム・ジョンヒョン,前田英次郎,松本健郎
    • Organizer
      日本機械学会第32回バイオフロンティア講演会
  • [Presentation] FRET型張力センサを発現するトランスジェニックマウスの作製と評価2021

    • Author(s)
      王軍鋒,辻村有紀,北口哲也,前田英次郎,横田秀夫,松本健郎
    • Organizer
      日本機械学会2021年度年次大会
  • [Presentation] Generation and evaluation of transgenic mice expressing tension sensor based on FRET2021

    • Author(s)
      Wang JF, Tsujimura Y, Kitaguchi T, Maeda E, Yokota H, Matsumoto T
    • Organizer
      The 11th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Microscopic deformation of the nucleus is different from that of adjacent actin filaments in the smooth muscle cells in the aortic media and is dependent on the stretch direction2021

    • Author(s)
      Fan Y, Wang JF, Kim J, Maeda E, Matsumoto T
    • Organizer
      The 11th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
    • Int'l Joint Research
  • [Book] 最先端ナノライフシステム研究(最先端ナノライフシステム研究編集委員会編)2022

    • Author(s)
      キム・ジョンヒョン,前田英次郎,松本健郎
    • Total Pages
      221
    • Publisher
      丸善プラネット
  • [Remarks] バイオメカニクス研究室

    • URL

      http://bio.mech.nagoya-u.ac.jp/

URL: 

Published: 2022-12-28  

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