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

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。

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。