量子幾何学の応用研究
数理物理学の研究分野の一つに量子幾何学があります．量子幾何学は理論物理学のアイデアを基に表現論や代数幾何，位相幾何といった数学の諸分野を結びつける研究分野です．この研究分野の応用研究の一つとして，ファットグラフに基づくRNAおよびタンパク質の構造分類問題に取り組んでいます．
我々の研究グループでは、長期的な培養が可能で成熟度が高く、機能評価が簡便に実施できるマウス由来骨格筋オルガノイド作成に成功し、大阪工業大学独自のモデルとして３次元培養筋OITem (Osaka Institute of Technology:Tissue engineered muscle) と命名した。この骨格筋オルガノイドは、平面培養と異なり、細胞配向性が高く、形態的にも生体筋と類似していることが明らかとなっている。培養中に自己組織化によって生じる受動的張力を解放し、機械的除負荷を行うと生体筋の廃用性筋萎縮に類似した表現型が生じる。また、培養デバイスを汎用的な電気刺激装置が使用できるように最適化し、生体筋の収縮様式と類似した短縮性収縮を誘導したり、収縮機能を評価することも可能である。この生体外デバイスを利用し、生体筋収縮を模倣することが可能であれば、運動効果を検証する動物代替モデルとして活用できるだけで無く、高齢化に伴う筋力低下を予防できる栄養素材の開発やALS、重症筋無力症などの難病疾患の創薬等、幅広い領域で社会実装可能な基盤技術として期待できる。
３次元培養筋OITemの作製
我々の研究グループは、近年、革新的な組織工学技術を利用して人工腱を有する分化熟度の高い三次元培養筋の作製に成功した。
開発した培養骨格筋は、脱細胞化豚大動脈またはチタンを人工腱を両端に保持し、独自に開発された培養プラットフォーム上で自己組織化し、構築される。組織化学的な評価を行うと分化した筋管細胞は生体の骨格筋に見られる高い直列配向構造を有していることが明らかとなっている。
筋萎縮検証モデルとしての評価
３次元培養筋OITemは、両端の人工腱に接着し、一定の受動的張力を発生しながら分化成熟を進行させる。人工腱は容易にステンレスピラーから取り外すことができるため、一時的な受動的張力の解放が生じ、培養環境で機械的な除負荷を実現することができる。機械的な除負荷は、培養筋重量、筋収縮力および収縮タンパク質の低下を誘導するため、薬剤などを使用せずとも生体筋筋萎縮と類似した表現型を生体外で生み出すことが可能となる。
筋力測定および筋力トレーニング効果検証モデルとしての評価
３次元培養筋OITemは、電気刺激を与えるとダイナミックな収縮を起こす。この特性を利用して簡便に電気刺激によって生じる筋収縮力を測定できる独自の培養プラットフォームを開発した。片方のピラーをPDMSに変更して培養筋をピラー先端部に移動させ、反転させて電気刺激を印加する。筋収縮が生じるとピラー先端部が引っ張られてピラー先端部が移動する。PDMSのヤング率と移動変位から発生する筋収縮力を長期間評価できる。また、電気刺激を一定期間持続的に印加するとトレーニング効果も検証できる。
今後の展望
３次元培養筋OITemは、生体筋を模倣できる可能性を秘めている。今後はヒト由来３次元培養筋を構築し、骨格筋の萎縮や肥大、筋力トレーニング効果を検証できる培養プラットフォームを確立する予定である。また、ヒトiPS由来運動神経との独自の共培養プラットフォームを構築する予定であり、ALSをはじめとする効果的な薬がない難病の神経筋疾患の基礎研究・薬剤試験の際に、神経筋組織の変性や薬効による変化などを観察できるプラットフォームを検討中である。さらに動物福祉および倫理的観点からも、特に食品科学・栄養科学分野において動物実験を実施することは容易でなく、世界的にも新規のAnimal freeな次世代検証モデルが必要とされており、これまで動物試験でしか行えなかった実験系が試験管内で行えることは、費用対効果も改善され、時間的・経済的な問題も解決することが期待できる。
論文
「Development and evaluation of a removable tissue-engineered muscle with artificial tendons.」(2017)『J. Biosci. Bioeng.』123(2)p.265-271.
「Mechanical unloading of 3D-engineered muscle leads to muscle atrophy by suppressing protein synthesis」(2022)『J. Appl. Physiol.』132(4)p.1091–1103.
「Investigation of Brain Function-Related Myokine Secretion by Using Contractile 3D-Engineered Muscle. 」(2022)『Int. J. Mol. Sci.』23(10)p.5723.
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