【研究分野】知能機械学・機械システム

【研究領域課題番号】17H03194 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

折紙工学 / Bio-MEMS / 細胞 / 再生医療 / bio-MEMS / 細胞折紙 / bioMEMS / BioMEMS / ナノマイクロ工学 / 医療工学

【研究成果の概要】

本研究では、微細加工技術と折紙工学の折り畳み技術を利用して、細胞の足場となるマイクロプレートを作製し、細胞を培養した後に折り畳むことにより、形態形成の過程でおこる細胞の折り畳みによる形状変化や生体内における力学的刺激と形態形成のメカニズムの関係の解明を目指した。研究期間中に磁性体入りマイクロプレートを作製し、プレート上に細胞を培養した後に、顕微鏡下で磁場を用いてマイクロプレートを折畳み・展開し、細胞の形状を立体的に制御することに成功した。磁性体を用いることで、非接触で駆動できることから、配線などは必要なく、細胞の形状の変えることが可能になった。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2017-04-01 - 2021-03-31

【配分額】18,070千円 (直接経費: 13,900千円、間接経費: 4,170千円)

【研究分野】歯科医用工学・再生歯学

【研究領域課題番号】25670837 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

凍結保存法 / 凍結生物学 / 細胞 / 再生医療 / 解凍 / 凍結保存 / 培養細胞 / 変動磁場 / 幹細胞 / 組織

【研究成果の概要】

再生医療の普及には細胞を遠方まで輸送する技術が重要である。しかしながら、細胞は輸送によりダメージを受けるため、現在の技術では高い生存率を保ったままでの長時間輸送は困難である。その解決のためには、凍結による輸送が効果的である。また、再生医療で用いられる細胞は患者本人、あるいはドナー由来の細胞であり、必要時に採取することは負担が大きい。あらかじめ採取して凍結保存することで、安定した細胞の供給が可能となる。本研究では、変動磁場を用いて、食品で使用されている技術を応用した新たな細胞保管技術を開発した。また、幹細胞の保管方法として、組織を直接凍結し、解凍後に幹細胞を採取する方法の有用性を示した。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2013-04-01 - 2015-03-31

【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】生物機能・バイオプロセス

【研究領域課題番号】24686094 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

細胞工学 / 光応答性材料 / 細胞パターニング / 細胞接着 / 自己集合 / 光分解性材料 / ケージド化学 / ヒドロゲル / 細胞 / 刺激応答性材料 / ケージング / 光分解性保護基 / 交互積層法 / 再生医療

【研究成果の概要】

刺激応答性の高分子複合体から成る殻（ナノシェル）で細胞を覆い、刺激を与えられて初めて機能を発揮するような「ケージド細胞」を調製する方法の開発を行った。本研究では、細胞の制御に用いる外部刺激として、時間的・空間的分解能が極めて高い光刺激を選択し、光分解性のナノシェルを開発した。ナノシェルの材料として、光分解性リンカーを介して生体適合性の高い高分子を集合化し、光分解性のヒドロゲルを開発した。この光分解性の集合体を交互積層法によって細胞表面に被覆する技術を開発し、被覆したケージド細胞は、光照射によってその伸展や接着、貪食がコントロールできることを示した。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2012-04-01 - 2014-03-31

【配分額】27,300千円 (直接経費: 21,000千円、間接経費: 6,300千円)

【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】形成外科学

【研究領域課題番号】21659412 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

老化 / 再生医療 / 非接着培養 / 皮膚 / 再生 / 付属器 / 細胞

【研究成果の概要】

真皮の幹細胞と考えられているSkin derived precursors(Skps)は、細胞増殖因子を添加し、無血清培地にすることで接着せず細胞魚集塊を形成することで得られる。本研究では、「幹細胞」だからコロニーを形成し、分裂、増殖するのか、凝集するから幹細胞様の不死化した性質を獲得するのかという点の検証を行った。老化し分裂回数が低下した線維芽細胞を非接着性培養皿で培養し、細胞凝集塊を形成させ、さまざまな培養期間の後に、再び酵素処理により単一細胞に分離し、細胞増殖能が増加することを確認した。驚くべきことに4ケ月間凝集塊を形成した状態でも細胞塊は生存し続けた。
接着培養に戻し、再び増殖させ、その後の分裂回数を調べた。増殖能が低下した後に再び非接着性培養皿に戻し、細胞凝集塊を形成させ、その後再び接着培養に戻すという操作を繰り返し、どの程度まで分裂回数が復活するかを調べたところ、経継代的に増殖能は増加していった。
Genechipによる解析で、細胞凝集塊を形成した細胞で発現が増強している遺伝子をreal time PCRで確認を試みたが、ほとんどの遺伝子は、凝集塊で働いていない状態であった。一方で、いくつかの未分化マーカーとされている遺伝子は発現の上昇がみられた。siRNAによる遺伝子ノックダウンは、本研究では奏功しなかったが、今後、発現の上昇がみられた遺伝子改変細胞を用いることで、老化のメカニズムにさらに迫ることができるものと考えられた。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2009 - 2010

【配分額】3,000千円 (直接経費: 3,000千円)

【研究分野】医用生体工学・生体材料学

【研究領域課題番号】19650124 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

細胞 / 光増感 / 自己組織化 / 細胞治療 / 酸化 / 細胞膜 / 再生医療 / トランスフェクション / 自己組識化材料 / 遺伝子導入 / 医工学 / 光化学

【研究成果の概要】

細胞は生物の基本的な構成要素であり、細胞は自分自身でその機能を保つことが出来る最小単位である。近年大きく期待されている細胞治療の実現には、細胞機能の高度な制御、あるいは改変が欠かせない。理想的には細胞の内部に対し、直接に人為的な改変作業を施す、あるいは任意の大きさ・組成の物質を導入することが望ましい。しかしながら、細胞は細胞膜によって自分と外界を隔てている。細胞膜は柔軟で改変作業を受け付けにくく、また改変作業を引き金に自分を分解して死んでしまう。細胞自体の飲食作用を利用した物質導入法もあるが、これは細胞の性質に強く依存し、適用困難な細胞も多々存在する。これに対し、代表者らは細胞膜のごく一部に強い酸化反応を引き起こすことで,細胞膜を数百ナノメーターという従来にない大きさで穿孔し、なおかつ数分以内に細胞自身がその孔を修復し,生存する現象を発見、応用を進めている。
本研究はこの基盤技術を発展させ、細胞治療に適用可能な規模の細胞改変を廉価に実現することを目指すものである。本年度の成果として、この穿孔能力を備えかつ量産可能な樹脂シート、及びその自動運用システムの開発に成功した。またこのシステムによって、治療に使える規模の細胞集団を対象に、かつ個々の細胞に対し膜穿孔による物質導入を行うことが可能になった。改良の余地はまだ様々にあるが、今後このシステムによって、免疫系の能力不足を人工的に補強した細胞治療を実現するよう、研究・開発を進めてゆく。

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2007 - 2008

【配分額】3,300千円 (直接経費: 3,300千円)

【研究分野】医用生体工学・生体材料学

【研究領域課題番号】13480289 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

人工血管 / 細胞 / 再生医療 / 組織再生 / 組織再構築 / 生分解性材料

【研究成果の概要】

血管内径が4mm以下の小口径領域の人工血管の開発が強く期待されているにも関わらず,現在臨床に耐えるものは開発されていない.従来の生分解性材料と細胞から構成される人工血管のモデルでは,生分解性の材料に血管平滑筋細胞を播種して血管内腔面が平滑になった後に血管内皮細胞を播種するものであったが,血管平滑筋細胞が平滑な内腔面を形成するまでに長い時間が費やされていた.さらに播種した細胞の材料への補足率も低いという問題点があった.一方,コラーゲンゲルのみから構成される人工血管のモデルでは脆弱であり,動脈圧に耐えることができないという問題があった.そこで本研究では生分解性材料であるポリ乳酸のスポンジに血管平滑筋細胞をゲル包埋した新しいタイプの人工血管モデルを開発することを目的とした.
はじめに,ポリL乳酸を用いて,内径が5mm,外径が7mm径を有するポーラスな人工血管を作製した.次に,0.375%のコラーゲンゲル溶液を4℃の条件下で作製し,正常ヒト血管平滑細胞と混ぜ合わせた.血管平滑筋細胞-ゲル懸濁液をポリ乳酸で作製した人工血管に陰圧の条件下で約30分間添加した後に37度の条件下に1分おくことで,ポリ乳酸製の筒状構造物の中に細胞を完全に補足させることに成功した.作製した人工血管を培養液に入れたところ,人工血管の作製直後から培養液に沈むことがわかった.一方,通常の培養条件である,培養液に細胞を懸濁して筒状3次元スポンジに細胞を播種したものでは,3次元スポンジの中から空気を排除することが難しく,培養液中で浮遊する(沈降しない)ことがわかった.作製した人工血管の力学的な性質を調べるために,作製直後の人工血管の引張試験を行ったところ,0.15Mpa(1117mmHg)の圧力に耐え得る人工血管の迅速形成が可能であることがわかった.作製した人工血管を静置培養したところ,培養日数の増加に伴い,人工血管の破断強度が低下する傾向が認めらたが,0.05MPA(380mmHg)あたりの値に漸近することがわかった.生体内に存在する血圧は最大で160mmHgであると考えられるので,本研究で開発した人工血管は生体内に移植しても破裂することなく,充分に実用に耐え得るものであることが示唆された.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2001 - 2003

【配分額】12,900千円 (直接経費: 12,900千円)