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。

2021 annual は, walkthroughs イ オ ン 伝 guide 顕 micro mirror (SICM) を い た mechanical measuring cell surface の モ デ ル の company, zhang を proposal し, hundreds of パ ス カ ル の under small さ い 弾 sex rate を have す る cell sample を SICM で す meter test る た め の 枠 group み を shown し た. The <s:1> <s:1> measurement モデ を を を was adjusted to べた by using モデ て and two-dimensional culture of <s:1> た ウス ウス <s:1> intestinal がん cells を. を が ん cells の 悪 sex degrees but 伝 son optical に に system - the さ せ る こ と で, measuring さ れ た mechanical characteristics と が ん の 悪 sex degrees と の masato is を parsing し た. こ の results, が ん cells の heritage 伝 son 発 now レ ベ ル と bureau な cell surface の spatial structure mechanics に intentionally な phase masato を shows し た. See い だ さ れ た phase masato が cells ま わ り の mechanics environment に ど の よ う に influence さ れ る か adjustable べ る た め に, 2022 annual は three yuan culture し た mechanical measuring cell の に group take り ん だ. Special に, two-dimensional culture system で measurement が difficult な cell substrate surface <s:1> mechanical measurement <s:1> actual application に injection force た た. Two dimensional culture system で は usually, the top of the cell の し か walkthrough プ ロ ー ブ 顕 micromirror で は measuring で き な い こ と か ら, basal cell surface で の mechanical characteristics measuring system の build に は meaning が あ る と exam え た. Cells with "を horizon し た 3rd dimensional な organization others の cell block を コ ラ ー ゲ ン ゲ ル に half embedding し て, basal surface を へ match the outside direction す る こ と で basal cell surface の ナ ノ mechanical measuring を long に わ た っ て may と す る measuring system built の に success し た. こ の results, secondary yuan culture し た cell で top surface, the three dimensional culture し た cell で basal surface で の ナ ノ mechanical measuring が may に な り, そ れ ら の is line も え る よ う に な っ た. Results と し て は, top surface と basal surface で た よ う な cell surface の ナ ノ shape dynamic が 観 measuring さ れ る こ と が わ か っ た. Bureau 弾 sex rate マ ッ ピ ン グ measuring results の か ら は で cell surface, several time の cycle の 弾 sex ratio distribution が variations change す る phenomenon が catch え ら れ た. The また base surface has a low <s:1> elasticity ratio and がん 悪 悪 degree of performance がと に に. The さくなる tendency is に to be られた. The られた result と is similar to て る る る. ま た, cell surface の ナ ノ shape と 弾 sex rate マ ッ ピ ン グ か ら そ れ ら の space な phase masato を computing す る を proposal し, こ の phase masato マ ッ プ に よ り cell state を classification で き を る possibility in し た.

项目成果

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

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

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

高速SICMのための超低雑音広帯域トランスインピーダンスアンプの開発

高速SICM超低噪声宽带跨阻放大器的研制

• 发表时间: 2023
• 作者: 亀井 翔天;渡邉 信嗣
• 通讯作者: 渡邉 信嗣