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曲率 / 血管平滑筋細胞 / マイクロデバイス / 配向性 / メカノバイオロジー / 細胞接着

本研究は、マイクロ曲面上で血管平滑筋細胞が示す挙動の詳細を観察するために、培養面の曲率を操作可能な新しい細胞培養技術の開発に取り組んだ。変形する曲面の上で血管平滑筋細胞を培養し、培養面の曲率の変化に対する細胞の配向追従挙動の観察を初めて実現した。さらに細胞培養系に改良を施すことで、曲面上で細胞が発する張力の計測に取り組み、培養面の凸形状が平滑筋細胞の表現型を収縮型に誘導することを示唆する結果を得た。

本研究は、これまで生物学分野で焦点が当てられてこなかった「培養面のわずかな曲率が細胞に与える影響」を解析するための新しい技術基盤を構築した。そして、単一細胞よりもはるかに大きい直径数mm程度の曲面が細胞の配向や表現型に影響を与えることを実験的に明らかにした。これらの知見は、将来の再生医療において、細胞の挙動を制御し、体外で組織や臓器の構築を行う際の、足場材料の形状設計指針となることが期待される。

曲率 / マイクロデバイス / 血管平滑筋細胞 / メカノバイオロジー

本研究は、直径数百μmの制御されたマイクロ曲面上で細胞・組織を培養する新しいプラットフォームを開発し、曲率-細胞張力-接着力からなる細胞接着界面の力学バランスが三次元組織の形態・機能に与える影響を世界で初めて定量解析することを目的とし、これを実現するために細胞培養面の曲率を操作できる新しい細胞培養系の構築に取り組んだ。
具体的に、シリコンゴム製の薄膜を加工し、その上で細胞を培養することができる培養チャンバーを製作した。また、光硬化性樹脂とフォトリソグラフ法を用い、長方形(幅500μm, 長さ8mm)や円形の貫通孔(直径500μm)を複数持つマイクロスリットを製作した。さらに、アクリル板を切削し、ガラス板と圧力コントローラー・ダンピングチャンバー・真空ポンプを接続することで減圧装置を製作した。これらの部品を組み合わせ、空気圧により細胞培養面の曲率を操作し、その様子を顕微鏡下で観察可能な新しい培養デバイスのプロトタイプを製作した。このデバイスは細胞培養面の曲率を0-3/mmの範囲で制御可能であり、培養環境下で細胞培養面の曲率を操作し、その応答を観察することに成功した。
これまで多くの先行研究が、平面上で細胞の接着領域を制限することで二次元形状に対する応答を観察してきたのに対し、本研究は細胞接着面の曲率という立体的なパラメーターに着目する点で新しい。立体面で細胞を培養し、培養環境下で曲率の大きさや向きを操作可能な本デバイスは、今後曲率操作の範囲や時間応答性、培養操作のスループットを向上することでこれまでにない新しい力学アッセイを実現し、細胞の力学応答や形状認識メカニズムの解明に貢献するものと期待される。