【研究分野】熱工学

【研究領域課題番号】10875050 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バイオメカニクス / 内皮細胞 / 物質移動 / 生物流体力学 / 小胞輸送 / 壁面せん断応力

【研究成果の概要】

動脈内表面に分布している内皮細胞の挙動に着目し、内皮細胞に微視的なレベルでの力学的環境を制御することによって、細胞による生理活性物質の分泌や物質の取り込みを行う.その際の細胞近傍の流れという力学的環境を明確にすることにより、物質を選択的に捉える受容体や結合部位の存在及び分布が明らかになる可能性があり、バイオメカニクスの流域では大きなインパクトを与える成果となる。そこで、本研究では、生理活性物質の分泌や物質の取込を行っている細胞の状態をレーザー共焦点顕微鏡によって捉え、その画像から細胞モデルを構築し、細胞モデル近傍の流れを顕微鏡下での流れの計測を行って、細胞への流れによる力学的刺激と機能変化との対応を付け、メカノバイオロジカル相互作用について検討を行った。実験はブタの内皮細胞を用い、内皮細胞へのアルブミンの取り込み、ミトコンドリアの活性、さらに微小管のアルブミン取り込みに対する寄与について、細胞に負荷されたせん断応力刺激との関連性に焦点を絞った。アルブミンや微小管の状態は蛍光物質の蛍光強度の画像から定量化した。その結果、アルブミンの取り込みは低せん断では促進され、高ぜん断では抑制されるという二相性を示し、ミトコンドリアの活性もそれに同調して変化した。微小管はアルブミン小胞の経路と考えられるが、微小管上をアルブミンが取り込まれる様子が二重蛍光像から得られた。

【研究種目】萌芽的研究

【研究期間】1998

【配分額】2,400千円 (直接経費: 2,400千円)

【研究分野】流体工学

【研究領域課題番号】09875051 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バイオメカニクス / 内皮細胞 / 物質移動 / ミクロ流れ / 生物流体力学

【研究成果の概要】

動脈内表面に分布している内皮細胞の挙動に着目し、内皮細胞に微視的なレベルでの力学的環境を制御することによって、細胞による生理活性物質の分泌や物質の取り込みを行う。その際の細胞近傍の流れという力学的環境を明確にすることにより、未解決のメカノレセプターの存在及び分布が明らかになる可能性があり、バイオメカニクスの領域では大きなインパクトを与える成果となる。そこで、本研究では、生理活性物質の分泌や物質の取込を行っている細胞の状態をレーザー共焦点顕微鏡によって捉え、その画像から細胞モデルを構築し、細胞モデル近傍の流れを顕微鏡下での流れの計測を行って、細胞への流れによる力学的刺激と機能変化との対応を付け、メカノバイオロジカル相互作用を明確にすることを目的とする。本研究では、ブタの培養内皮細胞に流れによる剪断応力の刺激を加えてから、細胞に取り込まれるアルブミンの量を、蛍光色素をラベルしたアルブミンを用いて測定した。アルブミンは蛍光色素と結合しているため、蛍光強度の細胞内の分布をレーザー共焦点顕微鏡によって観測することができる。その結果、細胞内に取り込まれるアルブミンの量は、負荷した剪断応力の大きさによって特異的に変化することが解った。低い剪断応力では流れの負荷を与えない場合よりも増加するが、剪断応力の高い場合は、取り込み量が減少する。このような負荷する剪断応力に応じて、アルブミンの取り込みが変化することは、流れの刺激に応じて、細胞が能動的に制御していることであり、剪断応力による刺激がどのように細胞の能動的な物質移動を制御しているか興味深い問題であり、今後大きな発展が期待される。生体における物質移動の現象の捉え方に関しては、マクロからミクロへ視点が移ることによって新しい現象が見えて来ており、マイクロバイオメカニクスという分野が展開されるであろう。

【研究種目】萌芽的研究

【研究期間】1997

【配分額】2,100千円 (直接経費: 2,100千円)

【研究分野】流体工学

【研究領域課題番号】09044180 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生物流体力学 / 細胞力学 / ミクロ流れ / バイオメカニクス / 呼吸力学 / 動脈内流れ / 物質移動 / 動脈 / 気道 / 内皮細胞 / 上皮細胞 / 力学適応

【研究成果の概要】

生体は分子細胞レベルの現象が統合されてある特定なマクロの機能を生み出している。即ち様々なレベルでの現象の条件変化に適応してある適切な生体運動を行っている。このような生体・生命活動を維持するために生体内外の流れが重要な役割を果たしている。そこで生体活動を支える流れの現象について流体力学を中心として、固体力学、生理学、細胞生物学、呼吸循環器学的視点から国内外の研究者が共同研究を行い、密接な討論及び情報交換を重ねる必要があり、国際的な共同研究を行った。平成10年8月に札幌市にて本共同研究の研究会を開催し、特に呼吸系の力学、動脈内の流れと輸送現象、内皮細胞の力受容機構に関して討論を行った。呼吸系の力学は、肺気道の開口、気道表面の界面活性剤による影響、気道内の微粒子の運動と壁への付着、気道内の振動流及びガス輸送、小気道や肺胞の力学モデルなどについて議論された。動脈内の流れでは、実際の動脈の形状や力学的性質を考慮にいれたモデルの開発、血管病変の治療を目的とした動脈内流れの解析などにように、生体側の状況を十分にとりこんだ研究が重要で、特に臨床的に有用な知見が得られるとして、臨床医学者との協力がさらに必要であるとされた。一方、内皮細胞のレベルでの微視的な現象が次第に明らかにされており、動脈の力学はまさにミクロからマクロに至る見解を統合して考えることの重要性が指摘された。この点は正に本研究の目的であり、国際的な共同研究により、生体に関わる流れの問題の捉え方に著しい進展が見られた。

【研究種目】国際学術研究

【研究期間】1997 - 1998

【配分額】13,300千円 (直接経費: 13,300千円)

【研究分野】広領域

【研究領域課題番号】63300009 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バイオメカニクス / 循環力学 / 呼吸力学 / 人工臓器 / 生体組織 / 細胞力学 / 機能的適応 / 最適設計 / 生体組織力学 / 連続体力学 / 成長・萎縮 / 循環呼吸力学 / ガス・流体・物質移動 / 構成式 / 成長と吸収 / 残留応力 / 生体機能 / 観察 / 計測技術 / ガス / 流体 / 物質移動

【研究成果の概要】

生体が持つ構造とそれらの諸機能を解明し、それらを健全に維持・強化したり、低下した機能を回復させる方策を、バイオメカニクスの立場から探求した結果、以下の成果が得られた。
1.循環呼吸器力学、人工臓器力学、軟硬組織力学、生体動力学などの固有分野の具体的研究を通して、生体特有の不均一性、異方性、非線形性を取り扱うために連続体力学の見直し、力学的観点からの生体の機能的適応機能の把握と意義付け、人工臓器と生体適合性に対する力学的アプロ-チの開発、新しい観察・計測技術の展望、およびガス・流体・物質移動に関する基本原理の整理と方法論の見直しを行なうことが出来た。
2.バイオメカニクスの分析的アプロ-チの有効な方法の一つとして、細胞レベルに於ける様々な力学的現象の解明が要請されるようになってきており、その一環として力学的影響下の細胞の挙動に関する研究を開始するとともに、この方面の研究の現状の調査と将来性の検討を行った。
3.本研究課題に関する研究調査と研究交流を行なうために、平成2年8月に米国カリフォルニア大学で開催された第1回世界バイオメカニクス会議と、平成3年1月に大阪大学で開催された第2回バイオメカニクスカンファレンスに参画するとともに、日本機械学会バイオエンジニアリング部門と日本ME学会バイオメカニクス研究会を中心とした関連研究集会の実施に積極的に協力した。
4.本研究代表者と分担研究者が中心となって、平成4年度発足重点領域として、「生体機能と構造の維持・回復・強化のバイオメカニクス」(申請代表者:林紘三郎)を申請した。

【研究種目】総合研究(A)

【研究期間】1988 - 1990

【配分額】7,500千円 (直接経費: 7,500千円)