【研究分野】知能機械学・機械システム

【研究領域課題番号】16K14190 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

マイクロデバイス / 神経科学 / 再生医療 / 細胞・組織 / マイクロマシン / 組織工学 / マイクロ・ナノデバイス / 脳・神経

【研究成果の概要】

神経変性機構解明のために、神経組織中に神経細胞が高密度で均一に分布するような神経組織を神経幹細胞から作製する技術を開発した。本技術では、蓋付きアガロースゲルチャンバを用いることで、神経幹細胞を密閉した状態で分化誘導するため、組織の３次元形状が制御でき、分化誘導により神経細胞が高密度で均一に分布する組織作製を可能にした。また、ヒトiPS細胞由来神経幹細胞を用いてひも状のヒト神経組織を構築した。最終的に、神経組織をパターニングしたデバイス中で血管内皮細胞と共培養することで、神経組織周辺部に血管内皮細胞による血管網の構築をした。また薬剤投与による神経変性を観察し、本系の薬物実験への有効性を確認した。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2016-04-01 - 2018-03-31

【配分額】3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)

【研究分野】設計工学・機械機能要素・トライボロジー

【研究領域課題番号】16H04259 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

細胞培養 / 自動培養 / 超音波 / 細胞組織生成 / 超音波振動 / 細胞パターニング / 細胞塊 / 細胞シート / 細胞・組織 / 再生医学 / 細胞培養器 / 共振 / 再生医療

【研究成果の概要】

再生医療などの細胞療法において細胞培養技術は重要な基盤技術である．本研究では，超音波技術を用いて自動細胞培養システムの基盤技術を確立することを目的とした．
はじめに，培養ディッシュに対して超音波振動を付与することによって底面に接着した細胞をタンパク質分解酵素を用いることなく剥離できることを明らかにした．つぎに，超音波ポンピングを応用して，振動する培養面の上方からガラス管を近接させることによって培養ディッシュ内の細胞懸濁液を回収する手法を確立した．さらに，培養ディッシュに対して，適切な振幅分布を持つ超音波を付与することによって，細胞をパターニングする技術を確立した．

【研究の社会的意義】

再生医療をはじめとして，培養細胞を用いた治療法が国内外で注目を集めている．我が国では世界に先駆けてiPS細胞を用いた臨床試験が実施されるなど，新たな医療産業としての期待も高い．本研究はこれらの治療において重要な役割を果たす細胞培養の自動化に関するものである．細胞の培養，剥離，回収といった一連の操作を全て超音波アクチュエーション技術で達成したことにより，従来，その多くを手作業に頼っていた細胞培養過程の自動化の基盤技術が確立され，医療・研究機関の規模の大小に関わらず細胞培養が容易となったことで臨床試験後の再生医療の普及に貢献する意義は大きい．

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円)

【研究分野】生物機能・バイオプロセス

【研究領域課題番号】16H02419 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生体医工学 / 再生医療 / 内分泌組織 / ハイドロゲル / 多孔質担体 / 移植 / 血流 / 灌流培養 / 移植デバイス / 内分泌 / 医用化学工学 / 生物・生体工学 / 人工臓器 / 細胞・組織 / 血管配備

【研究成果の概要】

ピラー状シートを鋳型とし、あらたに開発したゼラチンメタクリレート(GelMA)とヒドロキシエチルメタクリレート（HEMA）共重合体ハイドロゲルを光重合により作成することにより、生分解性の持つハイドロゲルマイクロウエルの開発に成功した。さらにこのゲルウエルでMIN6-m9のスフィロイド培養に成功し、得られたスフィロイドは二次元培養よりもインスリン分泌量が増加し、in vivo試験でもラット肝臓表面に貼付移植後10日後もインスリン分泌能を持つことを示した。このゲルマイクロウエルに流路部を具備したユニバーサルデバイスを開発し、ラット腹部大静脈への移植し、血流導入試験を実施した。

【研究の社会的意義】

内分泌系組織再生の進歩を実現するためには，血中物質濃度を常時センシングしながら血中に迅速にホルモンを分泌できるよう，再生組織に豊富に血流を導入する必要がある．様々な組織において，シート状再生組織は臨床への道筋が見えてきたものの，血管網を具備した厚み1 mm以上のサイズの組織をin vitroで再生した後，移植で血流を導入することは，究極的な目標であるにも関わらず依然として技術的道筋が立っていない．本研究では、内分泌組織の中でも膵島にターゲットを絞り、生体内に移植可能な膵島スフィロイドを作成可能なハイドロゲルマイクロウエルと、血流を導入可能な流路構造を持った新たな移植プラットフォームを実現する。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2016-04-01 - 2020-03-31

【配分額】44,200千円 (直接経費: 34,000千円、間接経費: 10,200千円)

【研究分野】小児外科学

【研究領域課題番号】16H02682 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

幹細胞 / 再生医療 / 腸管蠕動不全 / 移植・再生医療 / 再生医学 / 細胞・組織 / 歯学 / 小児外科学 / 再生医療学 / 乳歯幹細胞学 / 細胞移植 / 組織工学 / 指定難病 / ヒルシュスプルング病 / ヒルシュスプルング病類縁疾患 / 乳歯幹細胞

【研究成果の概要】

上記疾患群の中で予後不良である腸管神経節細胞僅少症(HYPO)に、第一にfocusをした。HYPOは腸管神経節細胞は存在するがその数が極めて少ない特徴を有す。同じく腸管神経細胞の減少を認めるマウス(JF1)を用いて、健常児由来の乳歯幹細胞(SHED)を投与した。結果、体重増加を得、その有効性を証明した。次に、HYPO患者由来のSHED(HYPO-SHED)の解析を行った。SHEDは間葉系幹細胞(mesenchymal stem cell, MSC)であるが、HYPO-SHEDは、MSCに矛盾しない表現型を有していること、ならびに増殖能や造腫瘍性に関する解析を行った。

【研究の社会的意義】

SHEDはiPS細胞と比較し遺伝子導入が不要、作成効率が概ね100%、高い自己再生能、HLAの発現が低く拒絶を受けない点で優れ、さらに低侵襲かつ容易に採取可能である。また、歯髄の状態で凍結保存が可能であるため乳歯幹細胞のバンクをつくることができる。本基盤研究にて、健常児由来SHEDにおけるhypoに対する治療メカニズム・治療効果を詳細に解明した上で、hypo-SHEDの細胞の特性の解析に移行し、自家細胞移植の可能性を模索し、バンク化も目指す乳歯保存の基盤づくりを行った。このように実臨床における治療を視野に自家他家移植いずれも実現することを目標とできた本研究は大きな学術的、社会的意義を有する。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2016-04-01 - 2020-03-31

【配分額】47,450千円 (直接経費: 36,500千円、間接経費: 10,950千円)

【研究分野】医用システム

【研究領域課題番号】15H03039 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

移植・再生医療 / 細胞・組織 / マイクロ・ナノデバイス / 組織構築物 / 凍結保存 / 凍結保護剤 / 機能評価 / システム / 再生医療 / 移植医療

【研究成果の概要】

本研究では、①DMSOフリー新規凍結保存液、②凍結保存用培養デバイス、③凍結装置の開発を行った。①DMSOの細胞毒性、および動物由来原料の抗原性変化や病原体混入の可能性等の課題を解決すべく、ヒト組織由来細胞に有効なDMSO-血清フリー細胞凍結保存液の組成を見出した。②3D培養デバイスTASCLを用いて、均一な大きさのヒト組織由来幹細胞・組織構築物を大量に創製すると共に、有効な保存液組成の決定からガラス化凍結に成功した。③細胞の凍結を制御するために、スターリングエンジンによる凍結装置の開発、および凍結条件の最適化に成功した。以上より、再生・移植医療用細胞・組織構築物の凍結保存システムを構築した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】17,030千円 (直接経費: 13,100千円、間接経費: 3,930千円)

【研究分野】知能機械学・機械システム

【研究領域課題番号】26630088 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

マイクロ・ナノデバイス / マイクロマシン / 再生医療 / 神経移植 / 脳・神経 / 細胞・組織 / 神経科学

【研究成果の概要】

本研究課題では，移植医療に応用できるように神経細胞と生体適合性材料から形成される直径100-200 μm，長さ数メートルのバイオ神経インターフェースの構築を目指した。最初にマウスの神経幹細胞から形成される神経ファイバーの安定的な構築方法を確立した。次に、神経細胞ファイバー４８本から形成される神経ファイバーバンドルを作製し、脊髄損傷モデルマウスへの治療効果を確認するため移植実験を行った。移植した神経ファイバーバンドル内部の神経幹細胞は、マウス脊髄に生着し術後２ヶ月で神経細胞、グリア細胞、オリゴデンドロサイト細胞に分化していることが確認できた。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2014-04-01 - 2016-03-31

【配分額】3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)

【研究分野】知能機械学・機械システム

【研究領域課題番号】26289060 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

マイクロデバイス / マイクロマシン / 再生医療 / 細胞・組織 / 神経科学 / マイクロ・ナノデバイス

【研究成果の概要】

本研究課題では、神経細胞、血管内皮細胞を細胞ファイバーとし、デバイス中でアセンブリすることにより3次元的な血管―神経網を構築することを目指した。神経幹細胞ファイバーは、直径が細いほど分化誘導後に神経細胞の割合が高く、高配向性となることがわかった。神経ファイバーから数 mmの神経ユニットを作製し、アセンブリによる神経回路構築法を確立した。一方、HUVECからは血管新生能を有する血管内皮細胞ファイバーの作成に成功した。最終的に、神経ファイバーをフィブリンゲル内部でデバイスにより固定し、血管内皮細胞と３次元共培養することで神経ファイバー周辺部に血管網を有するような血管―神経網の構築に成功した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2014-04-01 - 2017-03-31

【配分額】16,770千円 (直接経費: 12,900千円、間接経費: 3,870千円)

【研究分野】設計工学・機械機能要素・トライボロジー

【研究領域課題番号】26289029 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

低摩擦 / 細胞・組織 / 関節軟骨 / トライボロジー / 再生医療

【研究成果の概要】

本研究では，軟骨細胞を足場材に播種し培養する過程において，足場材表面にガラスローラーを接触させ転がり滑り運動を与えることにより，足場材内部に歩行時の軟骨組織内部と類似の複数応力成分からなる不均一な力学場を再現し，関節軟骨類似の極低摩擦特性を示す高機能摺動組織を形成させる手法を探究した．また形成された摺動組織表面の摩擦特性を高精度に評価するための試験システムを合わせて開発した．ここでは，組織表面の摩擦係数を計測すると共に，組織内部の細胞に生じる機械的歪みを定量可能とすることにより，細胞が経験する力学的負荷と形成される組織構造およびその力学的機能との関連を定量的に議論することを目指した．

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2014-04-01 - 2017-03-31

【配分額】16,250千円 (直接経費: 12,500千円、間接経費: 3,750千円)

【研究分野】医化学一般

【研究領域課題番号】24590342 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

再生医学 / シグナル伝達 / 肝臓 / 組織幹細胞 / 細胞・組織 / 線維化 / 再生医療

【研究成果の概要】

重篤な障害を受けた肝臓では、未分化性を有する特殊な幹／前駆細胞（肝前駆細胞）が出現して、再生過程に寄与すると考えられている。しかしながら、肝前駆細胞の誘導・増殖・分化を制御する分子機構の詳細や、これと肝線維化や肝がん等の病態との関連の実態や機序は不明である。種々のマウス肝障害モデルを用いた、FGF7を中心とする細胞間相互作用に着目した解析により、肝前駆細胞の動態を制御する新たなシグナル伝達経路や転写因子の存在を明らかにした。また、肝前駆細胞と肝線維化との相互連関の基盤を成すメカニズムの一旦を明らかにした。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2012-04-01 - 2015-03-31

【配分額】5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円)

【研究分野】生物機能・バイオプロセス

【研究領域課題番号】22246101 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

医用化学工学 / マルチスケール血管網配備 / 膵島 / 肝 / 三次元造形 / 人工赤血球 / 肝組織 / 流路ネットワーク / 組織ユニット / 移植 / 再生医療 / 組織工学 / 細胞 / 生物・生体プロセス / 再生医学 / 組織 / 移植・再生医療 / 細胞・組織 / 生物・生体工学

【研究成果の概要】

移植用の膵島や肝組織の人工的構築の方法論確立を目標として，細胞の三次元化とマルチスケール物質交換性の確保の視点から，細胞組織体を高密度にランダム充填する小チャンバーと，それらに培養液・血液を均一に分配するマクロ流路構造を持つ担体構造を提案，レーザー焼結積層造形法によって担体を作成した．細胞組織体として肝細胞凝集体を固定化した灌流培養では，長期に安定した高機能を得た．さらに組織構築用に細胞への毒性が少ないヘモグロビンを利用する人工赤血球の開発に成功した．

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2010-04-01 - 2015-03-31

【配分額】46,930千円 (直接経費: 36,100千円、間接経費: 10,830千円)

【研究分野】医用生体工学・生体材料学

【研究領域課題番号】16200033 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生物・生体工学 / 再生工学 / 細胞・組織 / 不整脈 / 細胞培養 / 光学測定 / 電極アレイ / 電気刺激 / 再生医療

【研究成果の概要】

近年、「再生医工学」が注目を集めており,遺伝子導入した心筋組織にペースメーカとしての機能を持たせようとする試みなどが進められている。研究の推進には心筋細胞や心筋組織、再生した組織も含めて総合的に機能評価を行う技術の確立が重要である。本研究では、光学計測系と電気刺激・信号計測系とを融合した心筋組織機能評価システムの確立を目標に光学計測系と電気刺激・信号計測系とを融合した以下の心筋組織機能評価システム開発を行った。
(1)光学的膜電位計測とリアルタイムフィードバック電気刺激の組み合わせによる心臓興奮伝播制御システム
(2)培養心筋細胞、幹細胞系に対する集積化電極基板・光学信号統合計測システム
高時間/空間分解能を有する光学計測システムと、多点微小電極による電位マッピングシステムを組み合わせ、動物摘出心標本上において、画像として興奮現象を捉えつつ、興奮波面の進行に同期して任意の時相(脱分極相〜再分極相〜静止電位相)に電気刺激を印加、Make/Break興奮を誘発可能なシステムを開発した。
細胞レベルの電気活動計測には集積化電極基板を導入した。フォトリソグラフィを利用して製作した.電極基板は64個のマイクロ電極(サイズ30x30μm,電極間距離180マイクロμm)を有し、各点での電気信号記録と刺激が可能である。この計測系を冷却CCDによる顕微鏡画像取得システムと結合することにより、電気・光信号融合計測システムとして構成した。
心筋細胞は新生ラットからその心室筋を採取して単離培養を行った。培養開始後3日目から拍動現象が認められ、この活動が成長と共に広範囲に渡る同期拍動現象へと発展していくこと、拍動が活動電位の発生と同期していることを確認した。光学信号は、fluo-4染色による細胞内Ca濃度変動測定を試み、これについても基本的には活動電位発生との同期現象であることを確かめた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2004 - 2006

【配分額】49,400千円 (直接経費: 38,000千円、間接経費: 11,400千円)