Developments of measuring nanomechanical dynamics of a fragile cell surface by scanning ion conductance microscopy

通过扫描离子电导显微镜测量脆弱细胞表面纳米力学动力学的进展

• 批准号: 21H01821
• 负责人: 渡邉 信嗣
• 金额: $ 11.32万
• 依托单位: Kanazawa University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01821/
• 关键词: 走査型イオン伝導顕微鏡; 生細胞イメージング; メカノバイオロジー; 細胞力学; 生細胞計測; 生細胞; イオン伝導顕微鏡; ナノピペット; 走査プローブ顕微鏡

2021年度は、走査型イオン伝導顕微鏡（SICM）を用いた細胞表層の力学計測モデルの拡張を提案し、数百パスカル以下の小さい弾性率を有する細胞試料をSICMで計測するための枠組みを示した。この計測モデルを用いて、二次元培養したマウスの腸がん細胞を調べた。がん細胞の悪性度を遺伝子光学的に系統的に変化させることで、計測された力学特性とがんの悪性度との関係を解析した。この結果、がん細胞の遺伝子発現レベルと局所的な細胞表層の力学時空間構造に有意な相関を見出した。見いだされた相関が細胞まわりの力学環境にどのように影響されるか調べるために、2022年度は三次元培養した細胞の力学計測に取り組んだ。特に、二次元培養系では計測が困難な細胞基底面の力学計測の実施に注力した。二次元培養系では通常、細胞の頂端面しか走査プローブ顕微鏡では計測できないことから、細胞基底面での力学特性計測系の構築には意義があると考えた。細胞同士を積層した3次元的な組織様の細胞塊をコラーゲンゲルに半包埋して、基底面を外方向へ配列することで細胞基底面のナノ力学計測を長時間にわたって可能とする計測系の構築に成功した。この結果、二次元培養した細胞で頂端面、三次元培養した細胞で基底面でのナノ力学計測が可能になり、それらの比較も行えるようになった。結果としては、頂端面と基底面で似たような細胞表層のナノ形状動態が観測されることがわかった。局所弾性率マッピング計測の結果からは、数時間の周期で細胞表層の弾性率分布が変化する現象が捉えられた。また基底面の弾性率は、がんの悪性度がともに小さくなる傾向も得られた。これは頂端面で得られた結果と似ている。また、細胞表層のナノ形状と弾性率マッピングからそれらの空間的な相関を計算する手法を提案し、この相関マップにより細胞状態を分類できる可能性を示した。

在2021财年，我们提议使用扫描离子传导显微镜（SICM）扩展细胞表面的机械测量模型，并提出了一个框架，用于使用SICM使用少数数百个Pascals的小弹性模量测量细胞样品。使用此测量模型，检查了来自二维培养小鼠的肠癌细胞。通过系统地改变癌细胞基因的恶性肿瘤，我们分析了测得的机械性能与癌症恶性肿瘤之间的关系。结果，我们发现癌细胞的基因表达水平与局部细胞表面的机械时空结构之间存在显着相关性。在2022年，我们研究了三维培养细胞的机械测量，以研究发现的相关性如何受到周围细胞机械环境的影响。特别是，我们专注于对细胞基础表面进行机械测量，这在二维培养系统中很难进行测量。在二维培养系统中，只能使用扫描探针显微镜测量细胞的顶部表面，因此我们认为构建用于测量细胞基础表面机械性能的系统是有意义的。我们已经成功构建了一个测量系统，该系统允许长时间内通过半加固的三维组织样细胞质量对基础表面进行纳米力学测量，这些细胞质量是通过在胶原凝胶中彼此堆叠而成的，并将基础表面排列在外。结果，可以在二维培养细胞的顶部和三维培养细胞的基础表面上进行纳米力学测量值，从而可以比较这些细胞。结果，我们发现在顶端和基底表面观察到细胞表面的类似纳米形动力学。局部弹性模量映射测量结果捕获了细胞表面中弹性模量分布在几个小时内变化的现象。此外，基础表面的弹性模量倾向于降低癌症的恶性肿瘤。这类似于用顶面获得的结果。我们还提出了一种计算细胞表面纳米形和弹性模量映射之间空间相关性的方法，并证明了可以使用此相关图对细胞态进行分类的可能性。

项目成果

高速走査型イオン伝導顕微鏡の開発とその応用

高速扫描离子传导显微镜的研制及其应用

• 发表时间: 2023
• 作者: 佐々木由比;鎌戸寛之;南豪;渡邉信嗣
• 通讯作者: 渡邉信嗣

モデル誤差補償器による高速制御のためのスキャナ制御の検討

利用模型误差补偿器实现高速控制的扫描仪控制研究

• 发表时间: 2023
• 作者: 宮下 和己;金田 駿哉;渡邉 信嗣
• 通讯作者: 渡邉 信嗣

Quantitative measurements of the spatial profile of elastic modulus of living cell surface and their dynamics

活细胞表面弹性模量空间分布及其动力学的定量测量

• 发表时间: 2022
• 作者: Masato Takiguchi;Guoqiang Zhang;Evans Frandsen;Hisashi Sumikura;Tai Tsuchizawa;Satoshi Sasaki;Akihiko Shinya;Katsuya Oguri;Hideki Gotoh;and Masaya Notomi;Shinji Watanabe
• 通讯作者: Shinji Watanabe

High-speed ion conductance microscope to reveal the nanoscale physical properties of metastatic intestinal cancer cells

高速离子电导显微镜揭示转移性肠癌细胞的纳米级物理特性

• 发表时间: 2022
• 作者: Linhao Sun;Dong Wang;Satoru Okuda;Han G. Nguye;Daisuke Yamamoto;Mizuho Nakayama;Hiroko Oshima;Hideyuki Saito;Yuta Kouyama;Koshi Mimori;Toshio Ando;Shinji Watanabe;Masanobu Oshima
• 通讯作者: Masanobu Oshima

Fine Control of Tip Geometries by Asymmetric Wet Etching for Scanning Ion Conductance Microscopy

通过扫描离子电导显微镜的不对称湿法蚀刻对尖端几何形状进行精细控制

• 发表时间: 2021
• 作者: Riku Yajima;Shinji Watanabe
• 通讯作者: Shinji Watanabe