Control system for autonomous cancer growth by adaptive mechanical stimulation

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本研究では，適応的な機械刺激の印加による生体外三次元癌モデルのサイズ制御システムを具現化し，癌メカノメディスンの実現可能性を実証することを目的とする．本システムの実現に向けては，閉ループ系の適応制御培養システムの構築が必要となる．具体的に，(A)生体内の癌挙動を再現する三次元癌モデル(B)適応的な機械刺激を印加可能な自動制御アクチュエータ(C)三次元癌モデルのサイズ変化をリアルタイム計測可能なセンサ(D)適応制御を実現可能なコントローラをそれぞれ要素技術として開発し，これらを統合することで適応制御培養システムを構築する．2022年度では当該システムの要素技術の開発に取り組んだ．(A)に関して，ハンギングドロップ法を用いて三次元癌スフェロイドを構築し2週間程度の長期培養が可能であることを確認した．癌細胞の生化学的応答を誘発する機械刺激パターンの周期が数秒から数時間程度であることを考慮すると，当該モデルは機械刺激に対する応答を十分に観察可能なモデルであることを示している．(B)に関して，申請者が既に構築した周期的圧縮刺激を印加可能な培養装置のスループット向上に向けて，ラチェット機構ベースの並列培養装置機構を考案した．(C)に関して，蛍光標識を用いずに三次元領域内の細胞数を計測可能なラベルフリーセンサを構築した．具体的に，自家蛍光シグナルの時空間平均処理により細胞数を計測可能なソフトセンサおよび動的電子スペックル干渉により細胞位置を計測可能な顕微鏡を構築した．これらの要素技術を申請者が既に構築した計算顕微鏡法と組み合わせることで，高精度なリアルタイム計測技術の構築に結びつける予定である．(D)に関して，数値シミュレーションを用いてデータ駆動型PID制御器を構築した．結果，癌モデルのサイズを減少させる刺激を適応的に印加することで，目標とするサイズに制御可能であることを示した．