分子・細胞制御
Cell Migration Control/Self-Assembly
地形形状により誘導される細胞運動を利用した共培養細胞の密度分布制御
Engineered topographical structure to control spatial cell density using cell migration
機能的組織を構築するには、さまざまな細胞タイプの空間分布の制御が必要となる．ヘテロな組織を構築するために，共培養した細胞の密度分布を制御する地形構造を報告した．地形構造の境界は凹状に湾曲しており，細胞を段差の下に誘導する．このとき，運動性の高い細胞が凹状の境界に達する頻度は，運動性の低い細胞に比べて高いため，運動性の違いにより共培養細胞の細胞密度の空間分布を制御できる．筋芽細胞（C2C12）と神経様細胞（PC12）の細胞運動性の違いを利用して，細胞密度分布を自律的に構成する方法となっている．
段差の境界部で，凹状の湾曲境界がない場合、運動性の高い細胞（C2C12）は溝の下部の領域に移動せず，細胞密度の変化はわずかであった（<15％）．対照的に，湾曲した境界では，溝内の運動性の高い細胞の細胞密度の増加は，段差上に比べて，45％を超えた．一方，低い運動性の細胞（PC12）の細胞密度分布は，湾曲境界の有無にかかわらず15％未満の変化であった．溝の幅が広くなると，両方の細胞が播種初期に溝に集まることが示された．重要なことに，これらの細胞の運動性に依存して細胞密度分布が異なる結果は，共培養条件下においても維持されることが分かった．これらが示すことは，地形形状を設計することで自律的に細胞密度分布を制御でき，多細胞組織の再生に有用であることを示唆している．
Control of the spatial distribution of various cell types is required to construct functional tissues. Here, we report a simple topographical structure changed the spatial cell density. A concave curved boundary was designed, which allowed the spatial descent moving of cells and the change in spatial distributions of co-cultured cells. We utilized the difference in cell motility between myoblast cells (C2C12) and neuronal cells (PC12) to demonstrate the feasibility of spontaneous change in spatial cell density. Without the curved boundaries, high motility cells (C2C12) did not migrate to the adjacent area, which resulted in a slight temporal change (< 15%) in the spatial cell distribution. In contrast, with the curved boundaries, the cell density of the high motility cells in the groove to those cells on the ridge showed an increase exceeding 45%. On the other hand, the temporal change in the spatial cell distribution of low motility cells (PC12) was below 15% with or without the curved boundaries. In addition, as groove width increased, both cells displayed more initially gathering in groove. Importantly, these cell-type dependent results were also maintained under co-culture conditions. Our results suggest that designing topographical interfaces changes spatial cell density without any manipulation and is useful for multi-cellular constructs.
地形形状による筋芽細胞C2C12の細胞運動の方向誘導
Cell Descent Caused by Boundary Curvature of a High Topographical Structure
細胞運動の差異によって細胞密度を濃縮・分離するデバイスを目指して，地形的な構造上で細胞運動の方向誘導を調べた．筋芽細胞C2C12を地形的な構造上で遊走させ，構造の境界部分の形状（曲率）によって誘導される細胞運動が異なることが分かった．地形の境界形状が直線状のものでは細胞が段差上部に留まり，一方で円形状のものでは細胞が段差下部へ誘導されることを確認した．このとき，細胞運動を方向誘導できる地形の曲率には適切な寸法があることが分かった
段差の境界形状が直線状である場合，境界に差し掛かった25個の細胞全てが境界に撥ね返され段差を下りなかった．一方で境界形状が円形状である場合，境界に差し掛かった細胞が境界を超え，段差を下り穴の中に進入していく様子が観察された．細胞が円形状の段差を下りる割合は境界の曲率半径が50 µmの円形状で最も高く，69％の細胞が下部に下りることがわかった（図３）．一方，段差下方で運動している細胞が段差を上ることは少ない．仮足が伸展・接着できる範囲に凹面がある場合にのみ段差を下りていることが考えられ，至適な曲率半径を持つ段差構造は逆止弁のように細胞運動を段差下方に誘導できる．凹面状の曲率や配置を変えることで，移動特性の異なる細胞の分離や細胞密度濃縮などの応用が考えられる．
We report the C2C12 mouse myoblast cell migration difference (descend or be repelled) by changing the curvature of the boundary of a topographical structure when the cells move from a flat surface to the boundary. 69% of the cells coming across a round boundary — the curvature radius of which was 50 µm — descended into the hole. In contrast, no cells descended into a groove with a linear boundary. Moreover, we demonstrated the cell spatial density change from the difference at the boundary. This finding will provide a new device that will enable us to manipulate spatial cell density noninvasively for tissue engineering.
- C. Okutani, A. Wagatsuma, K. Mabuchi, T. Hoshino, “Cell descent caused by boundary curvature of a high topographical structure for a device that changes cell density,” Japanese Journal of Applied Physics, vol. 56, no. 6S1, 06GM03, (2017). DOI: 10.7567/JJAP.56.06GM03
- フナコシニュース [PDF]
培養神経ネットワークの活動抑制に伴って生じる軸索刈込現象
Temporal Relation Between Neural Activity and Neurite Pruning
神経軸索の刈込に関して，神経活動の頻度と成熟状態に関係していることを示唆する結果を実験的方法と計算的方法によって得た．高さ5μmの流路で接続した微小電極上にラット大脳皮質神経細胞を長期間初代培養し，DIV15-25で発火頻度の大幅な減少に続いて軸索密度が減少した．同様の時間的構造は，Izhikevichの神経モデルにGABA受容器の成熟過程を導入した数値実験でも見られたことから，実験の結果はGABA受容器の成熟過程が軸索軸索刈込に関与していることを示唆する．．
Comparison of numerical and in vitro neurons at time-specific synapse elimination and neurite pruning in immature network. The neuron model employed modefied Izhikevich’s model wirh the functional shifting of GABAergic transmission during maturing. The pruning within specified period was spontaneously generated as a function of the shifting inhibitory transmission. The temporal relationship of neural activities and neurite density was supported by primary cortical neurons on MEA. Firing rate was decreased in DIV 18-25, after that neurite density was reduced, which were similar to the neumerical model.