マイクロ溝の凹面への細胞核の機械的捕捉は、凸面ではなく、細胞組織の成長と血管平滑筋の分化を誘導する

2025-04-20 Sun
細胞バイオメカニクスメカノバイオロジー血管平滑筋細胞分化マイクロファブリケーション
学術背景血管平滑筋細胞（Vascular Smooth Muscle Cells, VSMCs）は、正常な大動脈壁において血管の収縮と拡張を調節しています。しかし、病理的条件下では、VSMCsは収縮表現型から合成表現型に変化し、大動脈壁のリモデリングに積極的に関与します。多くのin vitro研究がVSMCsの分化メカニズムを報告していますが、in vitro培養条件とin vivo大動脈壁の機械的環境は大きく異なります。in vivoでは、VSMCsは細長い形状を示し、血管壁の周方向に整列した組織を形成しますが、in vitro培養では、VSMCsはランダムに拡散し、不規則な形状を形成し、脱分化しやすいです。したがって、VSMCsの分化メカニズムを解明するためには、in vivo大動脈壁の機械的環境を考慮した細胞培養モデルの開発が重要です。
論文の出典この論文は、Kazuaki NagayamaとNaoki Watayaによって共同執筆されました。彼らは茨城大学機械システム工学科のマイクロナノバイオメカニクス研究所に所属しています。論文は2024年10月22日にCellular and Molecular Bioengineering誌にオンライン掲載されました。
研究プロセスと結果1. マイクロ溝基板の作製と細胞培養モデルの確立研究チームはまず、ポリジメチルシロキサン（Polydimethylsiloxane, PDMS）ベースのマイクロ溝基板を作製しました。溝の幅はそれぞれ5、10、20マイクロメートルで、深さはすべて5マイクロメートルです。in vivo大動脈壁の弾性層状構造を模倣するため、研究チームはこれらのマイクロ溝基板を設計し、溝の凹面のみに細胞接着タンパク質をコーティングする方法を開発しました。この方法により、VSMCsの溝凹面への接着を制御し、細胞の伸長と整列を誘導することができました。
2. 細胞核の形態学的分析研究チームは、共焦点蛍光顕微鏡を使用してVSMCsの細胞核形態を詳細に分析しました。その結果、5マイクロメートル幅のマイクロ溝基板上で培養されたVSMCsでは、細胞核が著しく伸長し、体積が減少することがわかりました。5マイクロメートル溝槽群では、核の長さと幅の比（アスペクト比）が最も高く、溝凹面の側壁による機械的圧縮により核の形態が大きく変化したことが示されました。さらに、核内DNAの密度も著しく増加し、機械的圧縮下で核内DNAが凝縮したことが示されました。
3. 細胞移動と増殖の分析マイクロ溝凹面がVSMCsの移動と増殖に及ぼす影響を評価するため、研究チームは細胞移動実験と増殖実験を行いました。その結果、5マイクロメートル溝槽基板上で培養されたVSMCsでは、移動速度と増殖率が著しく低下しました。一方、20マイクロメートル溝槽基板上のVSMCsは、高い移動速度と増殖率を示しました。これは、5マイクロメートル溝凹面で細胞核が機械的に制限されることで、細胞の移動と増殖が抑制されたことを示しています。
4. VSMCsの分化分析研究チームは、平滑筋α-アクチン（α-SMA）とカルポニンの発現レベルを分化指標として、VSMCsの分化状況をさらに評価しました。その結果、5マイクロメートル溝槽基板上で培養されたVSMCsでは、α-SMAとカルポニンの発現レベルが他の群よりも著しく高くなりました。これは、5マイクロメートル溝凹面で細胞核が機械的に制限されることで、VSMCsの分化が促進されたことを示しています。
結論と意義研究結果は、細胞核をマイクロ溝凹面に機械的に捕捉することで、VSMCsの移動と増殖が著しく抑制され、分化が促進されることを示しています。この発見は、VSMCsの分化メカニズムを理解するための新たな視点を提供し、in vivo血管の機械的環境を模倣した細胞培養モデルの開発に重要な参考となります。この研究は、科学的に重要な価値を持つだけでなく、心血管疾患の治療と血管組織工学に潜在的な応用の可能性を提供します。
研究のハイライト革新的なマイクロ溝基板設計：研究チームは、溝凹面のみに細胞接着タンパク質をコーティングする方法を開発し、in vivo大動脈壁の弾性層状構造を成功裏に模倣しました。
細胞核形態の機械的制御：マイクロ溝凹面で細胞核が機械的に圧縮されることで、その形態と機能が著しく変化し、細胞の移動、増殖、分化に影響を与えることを初めて明らかにしました。
分化促進メカニズム：細胞核の機械的制限が、細胞内極性と細胞間結合を安定化させることで、VSMCsの分化を促進することがわかりました。
その他の価値ある情報研究チームは、今後の研究として、機械的伸張刺激を組み合わせることで、VSMCsの分化と脱分化の詳細なメカニズムをさらに探求することができると述べています。また、血清飢餓培養とマイクロ溝基板を組み合わせることで、血管組織再生に重要な影響を与える可能性があるとしています。
この論文は、革新的な実験設計と詳細なデータ分析を通じて、マイクロ溝凹面で細胞核が機械的に制限されることでVSMCsの行動がどのように調節されるかを明らかにし、心血管研究と組織工学の分野に新たな視点とツールを提供しました。