TASCL
近年の組織再生のプロトコルでは、幹細胞を胚様体（EB）と呼ばれる3次元の多細胞スフェロイドとして培養し、典型的な細胞種に分化させることが行われています。しかし、従来、EBを効率よく、しかも高い均一性で大量生産する方法はありませんでした。再生医療を迅速に推進するためには、EBを大量かつ均一に、低コストで作製するための効率的な実験系の開発が急務となっています。この問題を解決するために、我々はEBの大量生産を可能にするPDMS製のテーパー型マイクロアパーチャー配列であるTASCL（Tapered Stencil for Cluster Culture）を開発しました。
従来の透過性細胞培養用インサートの上にTASCLを配置することで、インサート上にマイクロウェルが形成されます。TASCLの表面は親水性ポリマーで改質されており、細胞の付着を防止しています。マイクロウェル間には平坦な面がないため、各細胞はマイクロウェルのいずれかに落ち込むことになり、初期凝集後の細胞の予期せぬ侵入を防ぐことができます。そのため、細胞懸濁液を滴下するだけで、精密に制御された条件下でEB形成を開始させることができます[1-3]。
1.Yukawa H, Ikeuchi M, Noguchi H, Miyamoto Y, Ikuta K, Hayashi S. Embryonic body formation using the tapered soft stencil for cluster culture device. Biomaterials. 2011 May;32(15):3729-38. doi: 10.1016/j.biomaterials.2011.01.013. Epub 2011 Feb 26. Erratum in: Biomaterials. 2013 Nov;34(33):8531. Ikeuchi, Masashi [added]; Miyamoto, Yoshitaka [added];(5) Ikuta, Koji [added]. PMID: 21354615.
2.Miyamoto Y, Ikeuchi M, Noguchi H, Yagi T, Hayashi S. Spheroid Formation and Evaluation of Hepatic Cells in a Three-Dimensional Culture Device. Cell Med. 2015 Aug 26;8(1-2):47-56. doi: 10.3727/215517915X689056. PMID: 26858908; PMCID: PMC4733911.
3.Miyamoto Y, Ikeuchi M, Noguchi H, Yagi T, Hayashi S. Enhanced Adipogenic Differentiation of Human Adipose-Derived Stem Cells in an In Vitro Microenvironment: The Preparation of Adipose-Like Microtissues Using a Three-Dimensional Culture. Cell Med. 2016 Sep 14;9(1-2):35-44. doi: 10.3727/215517916X693096. PMID: 28174673; PMCID: PMC5225676.
PASMA
再生医療では、幹細胞を胚様体（EB）と呼ばれる多細胞のスフェロイドとして培養し、分化を促進させることで、典型的な細胞種に分化させることができます。従来、EBを作る方法はいくつかありますが、EBの形成、評価、回収を一つの装置で行うことができないため、EBの研究はコストと時間のかかる作業となっています。この問題を解決するために、我々はPASMA (Pressure Actuated Shapable Microwell Array)[1-3]と呼ばれる革新的な装置を開発しました。
流体ラインと圧力作動ラインが独立しており、直交する座標系を構成している。流体ラインは薄いエラストマー膜で構成され、圧力作動ラインは膜の下に配置されています。圧力作動線に負圧をかけると、膜は下方に曲がってマイクロウェルが形成される。圧力作動ラインに正圧をかけると、メンブレンは平坦に戻ります。この仕組みにより、EBの選択的な回収、多種の細胞への分化誘導、オンチップでの解析が可能となります。
1.T. Nishijima, M. Ikeuchi and K. Ikuta, "Pneumatically actuated spheroid culturing Lab-on-a-Chip for combinatorial analysis of embryonic body,"2012 IEEE 25th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), 2012, pp. 92-95, doi: 10.1109/MEMSYS.2012.6170101.
2.A. Yasukawa, T. Nishijima, M. Ikeuchi and K. Ikuta, "Integrated micro culture device for fully automated closed culture experiment of embryonic body," 2014 IEEE 27th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), 2014, pp. 181-184, doi: 10.1109/MEMSYS.2014.6765604.
3.M. Ikeuchi, M. Shibata and K. Ikuta, "Independently controllable microwell array with fluidic multiplexer for mass production of embryonic bodies,"2017 19th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (TRANSDUCERS), 2017, pp. 277-280, doi: 10.1109/TRANSDUCERS.2017.7994042.
再生医療のための機械学習
胚体（EB）形成は、幹細胞の分化において日常的なステップとなっている。胚体の大きさは、分化の方向性や効率を決定する大きな要因の一つです。大量生産において再現性の高い分化誘導を行うためには、仕様を満たさない不定形なEBを早期に排除することが非常に重要です。本論文では、一度に多数のEBを培養し、機械学習によりEB形成の成功率を予測するシステムを提案します[1]。実証実験では、TASCLを用いてEBを培養し、30分ごとに各ウェルのタイムラプス画像を撮影しました。そして、播種後3時間までの画像計6枚を1つの学習データとして複数のニューラルネットワークに入力し、播種1日後にEBsが形成されているかどうかを予測しました。その結果、3次元畳み込みネットワーク（3DCNN）を用いることで、テストデータで最も高い予測精度が95％以上となりました。さらに、播種直後から6時間後までの12枚の画像を3DCNNに入力し、播種3日後のEBsの直径を予測したところ、播種直後から3日後のEBsの直径を予測することができました。その結果、±7.1μmの誤差でEBsの大きさを予測することに成功しました。
1.S. Suda, C. Aoyama and M. Ikeuchi, "Quality Prediction of Embryonic Bodies on Integrated Spheroid Culture Chip by Using 3D Convolutional Neural Network,"2020 IEEE 33rd International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), 2020, pp. 461-464, doi: 10.1109/MEMS46641.2020.9056339.
マルチパターンセルストレッチ装置
心臓にかかる血行動態の負荷が増大すると、心肥大を引き起こし、心不全へと発展します。しかし、心不全に至るメカノバイオロジーのメカニズムには不明な点が多く残されています。
我々は、これらの点を明らかにするために、健常者のiPS細胞から分化させた心筋細胞と心疾患患者の心筋細胞の力学的ストレス応答の違いを調べています。しかし、どの程度の強さの伸展刺激を与えるのが適切かは不明です。また、機械的ストレス応答を解析する場合、心筋細胞への負荷や形態の履歴データをリアルタイムで記録し、それらのデータと伸展後に得られる遺伝子発現情報を結びつけることが有効です。
そこで、我々は複数のひずみ比の適用とリアルタイム観察が可能な細胞伸展システムを開発しました。ウェル幅と伸張変位を変えることで、4～12%の複数のひずみ領域を実現。播種3日後のiPS心筋細胞の伸展をリアルタイムで観察できることを実証しました。
細胞・臓器の未凍結保存法の確立
生殖細胞の保存は、生殖医療や畜産分野で重要な技術として広く利用されています。私たちは、さまざまな社会的なニーズに応えるべく、凍結しない保存法の開発に取り組んでいます。具体的には、①細胞保存に有効な自然界由来の過冷却促進物質・不凍タンパク質の探索と、②細胞の種類や組織・臓器に対応できるオーダーメイド保存液および保存プログラムの開発を通じて、未凍結保存の実現を目指しています。細胞から臓器までの保存技術が確立できれば、必要なタイミングでの細胞治療や臓器移植に貢献できる可能性があります。