Control of automaticity and cell differentiation via mechanical communication between cultivated cardiac tissues

通过培养心脏组织之间的机械通讯控制自动化和细胞分化

基本信息

批准号：
22K19914
负责人：
中野健
金额：
$ 4.08万
依托单位：
Yokohama National University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-06-30 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

心筋細胞の拍動の同期は、細胞間の「電気的通信」により生じることが知られている。しかし、申請者の過去の研究成果によると、細胞間および組織間の「力学的通信」もまた重要であることが予想される。そこで、本研究では、培養心筋組織間の力学的接触状態を厳密に規定可能なバイオリアクタを開発し、「心筋組織間の力学的通信が拍動状態の重要な決定因子である」という仮説を直接的に立証するとともに、心筋組織間の同期拍動を誘起する力学的接触条件を把握する。同条件を参考に定めた力学的接触条件下で心筋組織を培養し、培養した心筋組織の自動能に及ぼす力学的通信の影響を探索的に調査して、細胞エネルギー代謝の高効率化ならびに細胞分化の促進を目指す技術応用展開への指針を得る。本年度は力学的接触変化に伴う電気的通信と力学的通信の関係性を把握するために、以下の二つの実験を遂行した。まず、ヒトiPS細胞由来心筋スフェロイドの拍動力および細胞外電位変化を同時計測可能な装置を作製し、単一スフェロイドの変形状態をパラメータとして、活動電位と拍動力の関係および活動電位の立ち上がりと拍動力発生までの遅延時間を評価するなど、スフェロイドが有する電気―機械的拍動特性に関する基礎データを取得した。次に、Ca2+蛍光プローブであるFluo 4-AMによって心筋スフェロイドの細胞内Ca2+動態を可視化し、二つのスフェロイド間接触を変化させることで生じるイオン動態変化と同期拍動の関係を検討した。その結果、単一スフェロイドにおいては、平板圧縮による変形が増加するに伴い、活動電位の立ち上がり時間や、拍動力発生までの遅延時間が短くなる傾向を示した。また、二つの心筋スフェロイドの力学的接触量が増加すると、スフェロイド間のCa2+濃度変化における周期、位相および振幅が近づく傾向を示すなど、力学的接触状態の変化に伴う心筋組織間の電気－機械的特性の基礎的知見を得た。

众所周知，心肌细胞的心跳同步是通过细胞之间的“电通信”发生的。然而，根据申请人过去的研究结果，细胞和组织之间的“机械通讯”预计也很重要。因此，在这项研究中，我们开发了一种生物反应器，可以严格定义培养的心肌组织之间的机械接触状态，并假设“心肌组织之间的机械通讯是搏动状态的重要决定因素，我们将直接证明机械接触。”引起心肌组织同步跳动的条件。在参照相同条件确定的机械接触条件下培养心肌组织，探索机械通讯对培养心肌组织自动化能力的影响，以提高细胞能量代谢效率，为技术应用开发提供指导旨在促进差异化。今年，我们进行了以下两个实验，以了解与机械接触变化相关的电气通信和机械通信之间的关系。首先，我们创建了一种可以同时测量人iPS细胞来源的心肌球体的搏动力和细胞外电位变化的装置，并以单个球体的变形状态作为参数来确定动作电位和搏动力之间的关系，以及我们获得了球体机电脉动特性的基本数据，例如评估发电之前的延迟时间。接下来，我们使用 Ca2+ 荧光探针 Fluo 4-AM 可视化心肌球体中的细胞内 Ca2+ 动力学，并研究了改变两个球体之间的接触和同步节拍引起的离子动力学变化之间的关系。结果，在单个球体中，随着板压缩引起的变形增加，动作电位的上升时间和脉动力产生之前的延迟时间趋于变短。此外，随着两个心肌球体之间机械接触量的增加，球体之间Ca2+浓度变化的周期、相位和幅度趋于相互接近，获得了特征的基本知识。