【研究領域課題番号】18K19285 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生物物理学 / ナノバイオ / 細胞・組織 / 生体分子 / 分析科学 / 生物物理

【研究成果の概要】

細胞内には局所温度の分布がある。しかし、現状では、温度計測の空間分解能は光の回折限界の～500 nmに留まっている。この限界を打開するため、細胞内の生体分子のラマン散乱光（アンチストークス光とストークス光）を測定することにより、生体分子の温度を計測することを目指した。低周波顕微ラマン分光システムの性能を確かめるため、Acetonitrileを顕微ラマン分光した。Stokes/Anti-stokes 比の温度依存性を利用して、約１℃の分解能で温度測定することが可能になった。

【研究の社会的意義】

細胞が機能を発揮する上で、温度は重要な物理的パラメータである。病気になった細胞、例えばガン細胞では温度が上昇している例が知られており、診断や治療という観点からも１細胞や細胞内温度を計測することは重要な意義を持っている。しかし、1 μmの小さな領域の温度を1℃以下の高分解能で測定することは困難だった。この限界を打開するため、細胞内の生体分子のラマン散乱光を測定することにより、生体分子の温度を計測する技術を開発した。この手法は純粋に物理的な手段で生体分子の温度を測定できるという利点がある。

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2018-06-29 - 2020-03-31

【配分額】6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円)

【研究分野】生体医工学・生体材料学

【研究領域課題番号】17H04735 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

メカノバイオロジー / メカニカルストレス / 可視化 / 音響波 / 生物物理 / レーザー / カルシウムイメージング / 生体医工学 / 生物・生体工学 / 細胞・組織 / 応用光学

【研究成果の概要】

本研究では，HzからkHz（1000分の1秒に相当）の力学刺激を細胞へと負荷するための実験システム，およびMHz（100万分の1秒に相当）からサブGHz（10憶分の1秒に相当）の力学刺激を細胞へと負荷するための実験システムの開発を行いました．それぞれのシステムにおいて，細胞応答として細胞内カルシウムイオン濃度を計測することが可能です．開発したシステムにより細胞を刺激し，カルシウムイオン濃度の変化を確認しました．

【研究の社会的意義】

生体は様々な力学刺激に応答することが知られていますが，非常に短い時間で生じる力学刺激に対してどのような応答を示すのか，調べる方法はありませんでした．本研究では，高速な力学刺激が生体の基本単位である細胞に及ぼす影響を調べるツールを開発しました．これにより，力学刺激を用いた予防医療や再生医療への応用，特に超音波など高い周波数での力学刺激を利用した安全・安心な治療技術の確立に貢献することが期待されます．

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2017-04-01 - 2020-03-31

【配分額】26,390千円 (直接経費: 20,300千円、間接経費: 6,090千円)

【研究分野】生物物理学

【研究領域課題番号】16K14705 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ナノバイオ / 細胞・組織 / 生体分子 / 分析科学 / 生物物理

【研究成果の概要】

水分子O-H伸縮振動のラマンスペクトルは幅広いスペクトルとなり、大きく分けて２つのピークが観測されること、isosbestic pointが3419 cm-1にあることが知られている。高温になるほど低ラマンシフト側のピークが小さくなり、高ラマンシフト側のピークが大きくなるため、この性質を利用して温度を計測できた。また、C-C-N変角振動（458 cm-1）、ジフェニルジテレニドのTe-Te伸縮振動（150 cm-1）などの低周波振動のラマンスペクトルを計測し、ストークス光とアンチストークス光も強度比を計算することによりマイクロメートルの微小領域の温度を計測することができた。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2016-04-01 - 2018-03-31

【配分額】3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)

【研究分野】生命・健康・医療情報学

【研究領域課題番号】15K12143 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生体生命情報学 / 生物物理 / 神経科学 / 細胞・組織 / 可視化 / 脳ドラフトマッピング / 無染色イメージング / ラマン分光イメージング / ハイパースペクトル / 神経解剖学 / 主成分分析 / 神経情報学

【研究成果の概要】

脳領域を客合理的に分類する新規手法を開発した。ラマン分光によるスペクトル計測を脳標本で行うことより、ピクセル毎にスペクトル情報を得る。このスペクトル情報を利用して、スペクトルが似た領域を抽出し、マッピングした。この結果，神経線維をラッピングしているミエリンや、セロトニン、ドーパミン、グルタミン酸含有細胞を非染色で検出することができた。また脳領域境界を合理的に決定する方法として、核位置を利用したボロノイ分割を試みた。その結果、鳥脳のコロナルセクション全体をボロノイユニットに分割することができた。この分割法と非染色イメージングを併用することにより、脳ドラフトマップを高速に作成することが可能となる。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2015-04-01 - 2017-03-31

【配分額】3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)

【研究分野】生理学一般

【研究領域課題番号】15H04677 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生物物理 / ナノバイオ / 分子イメージング / 心筋 / 細胞・組織 / 生理学 / 生体分子 / 循環器・高血圧 / 筋肉生理学 / 興奮収縮連関

【研究成果の概要】

1）ラット幼若心筋細胞のZ線にα-actinin-YC-Nano140を発現させ、細胞内局所のCa濃度とサルコメア長の同時計測を行った。2）マウス摘出心臓において、心筋細胞内局所のCa動態を計測する技術を開発した。3）マウスin vivo心臓から心筋細胞内のサルコメアの動きを高空間（20 nm）・時間（10 ms）分解能で捉えることのできるシステムを開発し、サルコメア動態とマクロパラメータ（心電図および左心室内圧）のリアルタイム同時計測を行った。4）ヒト心筋の単一筋原線維においてサルコメア自励振動を惹起させ、拡張型心筋症患者の筋原線維ではサルコメアの動態挙動が抑制されていることを見出した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円)

【研究分野】神経・筋肉生理学

【研究領域課題番号】23300146 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生理学 / 細胞・組織 / 生体分子 / ナノバイオ / 心筋 / 筋肉生理学 / 分子・細胞生理学 / 分子心臓学 / 生物物理学 / バイオイメージング / ナノバイオシステム / １分子イメージング・ナノ計測 / 医用物理学 / 生物物理一般 / 生物物理

【研究成果の概要】

1）ラット培養幼若心筋細胞のZ線にAcGFPを発現させ、収縮の最小単位であるサルコメアの長さ変化を細胞内Ca濃度変化と同時にnm精度で解析できるシステムの構築に成功した。2）ラット培養幼若心筋細胞において、約38℃以上の条件下、高速（~10 Hz）のサルコメア振動（HSOs）が生じることを見出した。3）マウスin vivo心臓において、心筋細胞内ナノ分子情報を抽出できる新たな顕微システムを構築し、サルコメアの動きを高空間・時間分解能で捉えることに成功した。4）Frank-Starling機構について解析し、その程度が細いフィラメントの”on-off”平衡に依存していることを見出した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2011-04-01 - 2015-03-31

【配分額】19,890千円 (直接経費: 15,300千円、間接経費: 4,590千円)

【研究分野】神経・筋肉生理学

【研究領域課題番号】20500368 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生理学 / 生物物理 / 細胞・組織 / 生物・生体工学 / 生体分子

【研究成果の概要】

スターリングの心臓法則は、心筋サルコメアの発生張力が伸展によって増大するという「筋長効果」に基づいている。本研究において申請者らは、筋長効果の程度が細いフィラメントの協同性と逆相関していることを見出した。また、実験的に得られた結果を、Ca^<2+>依存性の細いフィラメントのON-OFFスイッチ機構と格子間隔を組み入れたモデルによって、定量的にシミュレートすることに成功した。これらの結果は、Frank-Starling機構が細いフィラメントの協同性によって制御されていることを示している。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2008 - 2010

【配分額】4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)