最終更新日2017年02月01日

氏名

タケダ ナオヤ

武田 直也

職名

准教授

所属理工学術院

(先進理工学部)

連絡先

住所・電話番号・fax番号

住所
〒162-8480新宿区若松町2-2 TWIns 早稲田大学先端生命医科学センター
電話番号
03-5369-7323
fax番号
03-5369-7323

URL等

研究者番号
60338978

本属以外の学内所属

兼担

理工学術院(大学院先進理工学研究科)

研究院(研究機関)/附属機関・学校(グローバルエデュケーションセンター)

学内研究所等

東日本大震災復興研究拠点・先端環境医工科学研究所

研究所員 2011年-2013年

欧州バイオメディカルサイエンス研究所

研究所員 2012年-2012年

欧州バイオメディカルグリーンサイエンス研究所

研究所員 2012年-2014年

ライフサポートイノベーション研究所

研究所員 2014年-2014年

ライフサポートイノベーション研究所

研究所員 2015年-

欧州バイオメディカルグリーンサイエンス研究所

プロジェクト研究所所長 2015年-2016年

グローバルバイオメディカルグリーンサイエンス研究所

研究所員 2017年-2017年

グローバルバイオメディカルグリーンサイエンス研究所

研究所員 2017年-

学歴・学位

学歴

-1993年 東京大学 工学部 工業化学科
-1998年 東京大学 大学院工学系研究科 化学生命工学専攻
-2007年 早稲田大学 大学院アジア太平洋研究科 経営学専攻(専門職)

学位

博士(工学) 課程 東京大学

経営学修士(専門職) 課程 早稲田大学 経営学

経歴

1995年-日本学術振興会 特別研究員(DC1)
1998年-日本学術振興会 特別研究員(PD)
2001年-東京女子医科大学 先端生命医科学研究所 助手
((兼)脳神経外科 助手)
2004年-早稲田大学 生命医療工学研究所 講師
2005年-同 助教授
2007年-早稲田大学 理工学術院 准教授

所属学協会

日本バイオマテリアル学会 評議員

日本化学会

高分子学会

日本再生医療学会

日本神経科学学会

日本DDS学会

北米神経科学学会

委員歴・役員歴(学外)

2006年-2012年日本バイオマテリアル学会 評議員
2002年-現在 (財)マイクロマシンセンター 国内外技術動向調査委員会委員

その他基本情報

[1] (財)カシオ科学振興財団研究協賛事業,「神経筋接合部により運動機能を制御するin vitro再生骨格筋組織の構築」,2011/11/1〜2013/10/31. [2] (財)松籟科学技術振興財団・2009年度研究助成,「細胞の分化・極性を制御するナノ構造化高分子培養基板システムの構築」,2010/4/1〜2011/3/31. [3] (財)熊谷科学技術振興財団・平成16年度試験研究助成,「温度応答性高分子を基盤としたインテリジェントな遺伝子デリバリーシステムの構築とその応用」,2004/9/1〜2006/3/31.

研究分野

キーワード

バイオマテリアル、単一細胞操作、ソフト界面、組織工学、再生医療、Bio-MEMS

科研費分類

化学 / 複合化学 / 高分子化学

複合領域 / 人間医工学 / 生体医工学・生体材料学

総合理工 / ナノ・マイクロ科学 / ナノバイオサイエンス

工学 / 材料工学 / 構造・機能材料

研究テーマ履歴

マイクロ・ナノバイオテクノロジーおよびバイオ界面技術による細胞操作と生体医療工学への応用

研究テーマのキーワード:バイオマテリアルと細胞とのバイオ界面操作、バイオMEMS/バイオNEMS、単一細胞操作

個人研究

論文

Thermoresponsive Cationic Copolymer Brushes for Mesenchymal Stem Cell Separation

Kenichi Nagase, Yuri Hatakeyama, Tatsuya Shimizu, Katsuhisa Matsuura, Masayuki Yamato, Naoya Takeda, Teruo Okano

Biomacromolecules16p.532 - 5402015年-

DOI

How to prevent contamination with Candida albicans during the fabrication of transplantable oral mucosal epithelial cell sheets

Ryo Takagi, Shinichiro Kobayashi, Masayuki Yamato, Toshiyuki Owaki, Yoshiyuki Kasai, Takahiro Hosoi, Yusuke Sakai, Kengo Kanetaka, Tokutaro Minamizato, Asuka Minematsu, Makoto Kondo, Nobuo Kanai, Naoyuki Yamaguchi, Kazuhiro Nagai, Yasushi Miyazaki, Naoya Takeda, Fumio Fukai, Izumi Asahina, Taiga Miyazaki, Shigeru Kohno, Masakazu Yamamoto, Kazuhiko Nakao, Susumu Eguchi, Teruo Okano

Regenerative Therapy1p.1 - 42015年-

DOI

Hydrophobized Thermoresponsive Copolymer Brushes for Cell Separation by Multistep Temperature Change

Kenichi Nagase, Yuri Hatakeyama, Tatsuya Shimizu, Katsuhisa Matsuura, Masayuki Yamato, Naoya Takeda, Teruo Okano

Biomacromolecules14p.3423 - 34332013年09月-

DOI

Spatiotemporally Controlled Navigation of Neurite Outgrowth in Sequential Steps on the Dynamically Photo-Patternable Surface

Yoshikuni Edagawa, Jun Nakanishi, Kazuo Yamaguchi, Naoya Takeda

Colloids and Surfaces B: Biointerfaces99p.20 - 262012年-

DOI

Dynamically Cell Separating Thermo-Functional Biointerfaces with Densely Packed Polymer Brushes

Kenichi Nagase, Ayaka Kimura, Tatsuya Shimizu, Katsuhisa Matsuura, Masayuki Yamato, Naoya Takeda, Teruo Okano

J. Mater. Chem.22p.19514 - 195222012年-

DOI

Navigation of Neurite Elongation and Fabrication of the Networks of Neural Cells with Fine Resolution on the Novel Cell Culture Surface Patterned by Electron Beam Lithography

N. Takeda, N. Yoshino, Y. Edagawa, N. Shimamoto

Neurosci. Res.65(Suppl. 1)p.e2192010年-

Development of a Poly-Dimethylsiloxane Microfluidic Device for Single Cell Isolation and Incubation

Y. Yamaguchi, T. Arakawa, N. Takeda, Y. Edagawa. S. Shoji

Sens. & Actua. B136p.555 - 5612009年-

Regulation of the Outgrowth Position of Neurites in Cell Body and the Direction of Their Elongation for PC12 Cells in Three Dimensional Hydrogel Culture System with Feeble Flow of the Solvent

N. Takeda, J. Uehara, Y. Edagawa

Neurosci. Res.64(Suppl. 1)p.S1322009年-

Temperature-responsive polymeric carriers incorporating hydrophobic monomers for effective transfection in small doses

N. Takeda, E. Nakamura, M. Yokoyama and T. Okano

J. Contr. Release95(2)p.343 - 3552004年-

講演・口頭発表等

新規スピロピラン含有ジブロック共重合体によるミクロ相分離構造の形成と光応答性挙動

第64回高分子学会年次大会2015年05月29日

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口頭発表(一般)

ナノインプリント・リソグラフィーによる微細構造を有する細胞接脱着表面の作製

第14回日本再生医療学会総会2015年03月19日

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ポスター発表

温度応答性高分子修飾ファイバーを用いたラベルフリー細胞分離系の作製

第14回日本再生医療学会総会2015年03月20日

詳細

ポスター発表

上皮細胞シートのESD創面への生着と創傷治癒機構のex vivoモデルによる解析

第14回日本再生医療学会総会2015年03月19日

詳細

口頭発表(一般)

伸展可能な温度応答性細胞培養基材の物性評価と細胞シート剥離への応用

第63回高分子討論会2014年09月24日

詳細

口頭発表(一般)

スピロピラン導入ジブロックコポリマーを修飾した表面の可逆的光誘起構造転移による細胞の接脱着制御

第63回高分子討論会2014年09月24日

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口頭発表(一般)

伸縮による温度応答型弾性表面の物性変化と細胞接着・脱着の制御

第43回医用高分子シンポジウム2014年07月28日

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ポスター発表

エレクトロスピニング過程で化学架橋を施した配向化低密度「弦状」コラーゲンマイクロファイバー足場の作製と高細胞密度筋管組織の構築

日本化学会第93春季年会(2013)2013年03月

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口頭発表(一般)

配向化低密度「弦状」マイクロファイバー足場上で形成した高細胞密度筋管組織の機能構造解析

第12回日本再生医療学会総会2013年03月

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ポスター発表

紡糸中架橋化反応により作製した弦状コラーゲンマイクロファイバー培養足場の物性評価と配向筋管形成

日本バイオマテリアル学会大会シンポジウム20122012年11月

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ポスター発表

ナノパターンでの培養によるアストロサイトの星状形態誘導と遺伝子発現操作の検討

日本バイオマテリアル学会大会シンポジウム20122012年11月

詳細

ポスター発表

弦状コラーゲンマイクロファイバー培養足場を用いた初代筋芽細胞からの収縮能をもつ三次元筋管組織構築

日本バイオマテリアル学会大会シンポジウム20122012年11月

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ポスター発表

細胞分離を目的とした温度応答性高分子ブラシ表面の系統的分子構造変化と機能評価

日本バイオマテリアル学会大会シンポジウム20122012年11月

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ポスター発表

電子線リソグラフ加工した高分子表面の微細構造によるヒト間葉系幹細胞の分化誘導

第2回CSJ化学フェスタ2012年10月

詳細

ポスター発表

表面マイクロパターンで誘起する一方向遊走のメカノストレスが幹細胞挙動へ与える効果

第2回CSJ化学フェスタ2012年10月

詳細

ポスター発表

三次元筋管組織形成誘導を実現する新規な「弦状」コラーゲンファイバー足場の開発

第2回CSJ化学フェスタ2012年10月

詳細

ポスター発表

三次元筋管束を形成する「弦状」エレクトロスピン・マイクロファイバー細胞培養足場の開発

平成24年度繊維学会秋季研究発表会2012年09月

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口頭発表(一般)

電子線リソグラフ加工高分子レジスト基板を用いたナノ微細培養場での細胞の分化および機能操作

第61回高分子討論会2012年09月

配向化させた「弦状」エレクトロスピン・コラーゲンファイバー足場での効率的な三次元筋管形成

第3回ソフトインターフェースの分子科学ワークショップ 「ソフト界面と計測・センシング」2012年08月

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ポスター発表

「弦状」に中空維持・配向化させたエレクトロスピン・コラーゲンファイバー足場での三次元筋管形成誘導

第11回日本再生医療学会総会2012年06月

詳細

ポスター発表

疎水性基を有する温度応答性高分子ブラシ表面による多段階温度制御細胞分離システムへの応用

第11回日本再生医療学会総会2012年06月

詳細

ポスター発表

温度応答性表面によるラベルフリー細胞分離システムの設計

第11回日本再生医療学会総会2012年06月

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ポスター発表

弦状エレクトロスピン・コラーゲンファイバー足場での配向筋管束の形成

第61回高分子学会年次大会2012年05月

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ポスター発表

細胞分離機能の高度化に向けた疎水性基を有する温度応答性高分子ブラシ表面の構築

第61回高分子学会年次大会2012年05月

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ポスター発表

温度応答性インテリジェント表面の 精密設計による細胞選別能の高度化

第21回インテリジェント材料/システムシンポジウム2012年01月10日

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口頭発表(一般)

配向化エレクトロスピン・コラーゲンファイバー弦足場での三次元筋管形成誘導

第21回インテリジェント材料/システムシンポジウム2012年01月10日

詳細

口頭発表(一般)

温度応答性インテリジェント表面を用いた細胞分離システムの設計

第33回日本バイオマテリアル学会大会2011年11月21日

詳細

口頭発表(一般)

電子線リソグラフ加工マイクロパターンによる細胞の一方向遊走誘起

第33回日本バイオマテリアル学会大会2011年11月22日

詳細

口頭発表(一般)

電子線リソグラフ微細パターンへの接着・伸展による間葉系幹細胞の分化誘導

第33回日本バイオマテリアル学会大会2011年11月22日

詳細

口頭発表(一般)

微少送液でゲル内培養液を直接置換する新規三次元培養系での細胞挙動評価

第33回日本バイオマテリアル学会大会2011年11月22日

詳細

ポスター発表

電子線リソグラフ微細パターンでの一方向遊走制御が間葉系幹細胞に与える効果

第33回日本バイオマテリアル学会大会2011年11月22日

詳細

ポスター発表

電子線リソグラフ加工マイクロパターンによる細胞の一方向遊走誘起

第1回CSJ化学フェスタ —2011世界化学年記念大会—2011年11月14日

詳細

ポスター発表

ナノ微細加工パターン培養での液性因子を用いない間葉系幹細胞の分化の検討

第1回CSJ化学フェスタ —2011世界化学年記念大会—2011年11月14日

詳細

ポスター発表

電子線リソグラフ微細パターンによる細胞の運動制御と分化誘導

第84回日本生化学会大会2011年09月24日

詳細

口頭発表(一般)

細胞分離を目的とした温度応答型インテリジェント表面の作製

第60回 高分子学会年次大会2011年05月25日

詳細

ポスター発表

新規マイクロパターニング基板による細胞の長距離にわたる効率的な一方向遊走誘起

日本化学会第91春季年会2011年03月26日

詳細

口頭発表(一般)

一本の微細な細長い溝(トレンチ)状ナノパターンでの培養による間葉系幹細胞の分化の検討

第10回 日本再生医療学会総会2011年03月02日

詳細

ポスター発表

微量送液により溶媒を連続交換するコラーゲンゲルでの三次元細胞培養;細胞に与える流れのストレスの効果および細胞長期培養の検討

第20回インテリジェント材料/システムシンポジウム(および第5回バイオ・ナノテクフォーラムシンポジウム)2011年01月06日

詳細

口頭発表(一般)

マイクロパターニング技術を用いた細胞形態制御による遊走運動の長距離整流化

第20回インテリジェント材料/システムシンポジウム(および第5回バイオ・ナノテクフォーラムシンポジウム)2011年01月06日

詳細

口頭発表(一般)

電子線リソグラフィーを用いたマイクロ・ナノパターニング培養基板の構築と細胞のナノ構造認識の評価

第20回インテリジェント材料/システムシンポジウム(および第5回バイオ・ナノテクフォーラムシンポジウム)2011年01月06日

詳細

口頭発表(一般)

新規なナノリソグラフィー培養表面での細胞突起の高精細なパターニングと神経系細胞のネットワーク構築

Neuro2010、第33回日本神経科学大会2010年09月

詳細

ポスター発表

外部研究資金

科学研究費採択状況

研究種別:基盤研究(C)

間葉系幹細胞の分化形質転換を誘導するナノ・トレンチ構造培養基板システムの構築

2010年-2012年

研究分野:医用生体工学・生体材料学

配分額:¥4420000

研究種別:若手研究(B)

温度応答性培養皿への遺伝子固定化と熱刺激による界面からのデリバリー制御

2004年-2005年

研究分野:医用生体工学・生体材料学

配分額:¥3700000

研究種別:若手研究(B)

温度応答性高分子キャリアーの遺伝子デリバリーシステムへの応用とその制御機構の解明

2002年-2003年

研究分野:医用生体工学・生体材料学

配分額:¥4700000

研究種別:基盤研究(B)

外部温度刺激によるin vivo遺伝子発現制御システム

2002年-2004年

研究分野:医用生体工学・生体材料学

配分額:¥13100000

研究種別:新学術領域研究(研究領域提案型)

基質界面の微細構造による細胞遊走の整流化制御と形質転換因子としての評価

2011年-2012年

研究分野:ソフトインターフェースの分子科学

配分額:¥6500000

研究資金の受入れ状況

実施形態:共同研究

機能性表面を用いた細胞分離システム2010年-

実施形態:共同研究

バイオマテリアルを用いた筋組織再生2011年-

学内研究制度

特定課題研究

紙とマイクロファイバーの重層基材からなる自律駆動型灌流培養システムによる組織構築

2016年度

研究成果概要: 本研究では、紙とゼラチンファイバーからなる重層化細胞培養足場を基盤とし、紙の毛細管現象を培養液の自律的な駆動力に利用すると共にサイフォン原理を組み合わせて連続的な送液が可能である、これまでにないシンプルで大面積かつ開放系での細胞... 本研究では、紙とゼラチンファイバーからなる重層化細胞培養足場を基盤とし、紙の毛細管現象を培養液の自律的な駆動力に利用すると共にサイフォン原理を組み合わせて連続的な送液が可能である、これまでにないシンプルで大面積かつ開放系での細胞培養場を有する新たな自律駆動型の灌流培養システムを開発した。さらに、血管内皮細胞単独ならびに血管内皮細胞と異種細胞との灌流共培養を行った。その結果、静置培養との比較において、血管内皮細胞が流れに応答して挙動を顕著に変化させることを見出した。これより、本灌流培養システムが、血管組織構築に有効なシェアストレスを効果的に負荷できることを示した。

自律神経組織体による心筋細胞組織体の拍動機能制御システムの構築

2009年度

研究成果概要:1. 研究目的神経-心筋の共培養や生体情報伝達解析ならびに細胞機能制御のプラットフォームとなる培養システムの構築を目指し、その基盤技術としての、神経系細胞(初代神経細胞、神経モデル細胞、グリア細胞)の単一細胞を精緻に配置して、神経...1. 研究目的神経-心筋の共培養や生体情報伝達解析ならびに細胞機能制御のプラットフォームとなる培養システムの構築を目指し、その基盤技術としての、神経系細胞(初代神経細胞、神経モデル細胞、グリア細胞)の単一細胞を精緻に配置して、神経細胞ネットワークを作製する培養システムの構築に注力した。この神経系細胞の単一細胞ネットワーク構築には、ナノスケールの半導体加工に汎用されている高分子の電子線レジストを用いたリソグラフィー技術を応用した。ナノサイズのパターンを描画した電子線レジストは、半導体加工ではマスク材として用いられた後に除去されるが、本研究ではこのナノ描画高分子表面を除去することなく直接に細胞のパターニングが可能な培養基板へと応用した。2. 実験電子線照射部位のみに最小解像度20 nmで精緻なパターンを作製可能なpoly[1-chloro-(methyl acrylate)-co-(1-methylstylene)]を主体とした高分子ポジ型レジストをガラス表面に400 nm厚で塗布し、電子線照射および現像処理により一辺20~50 μmの正方形パターンをアレイ状に作製した。未照射部位はpluronicF108で修飾をして、細胞の接着を妨げた。これにより、アレイ状の細胞接着領域に対して、神経細胞、アストロサイト、ならびに神経モデル細胞であるPC12細胞が単一細胞レベルで接着が可能とした。更に、100 nm幅の微細なライン状のパターンに沿って、ナノサイズである神経突起の伸長方向を精確に誘導することを試みた。3. 結果と考察PluronicF108の表面修飾は有効に機能し、高いコントラストをもって、電子線で描画したパターン上のみへ細胞が接着した。一辺20 μmの正方形の細胞接着領域をアレイ状に並べたパターンでは、アストロサイトとPC12細胞を用いた場合に、各パターンに単一の細胞を配置できた。また、蛍光染色を用いた解析では、正方形パターンの縁の各辺に沿ってアストロサイト細胞のアクチンフィラメントの集積がみられ、細胞が細胞接着領域のパターンを正確に認識して接着斑を形成していることが強く示唆された。さらに、アストロサイトやPC12細胞の細胞突起構造を、100 nm幅の微細なラインパターンに沿って精確に伸展させることも達成した。胎仔ラット由来の初代神経細胞についても、単一細胞レベルでのアストロサイトとの共培養を実現した。これらの結果から、本単一細胞培養システムは、パターン形状の適切なデザインにより、任意の形状での精緻な細胞ネットワーク形成や神経回路形成への応用が可能であることを示した。

神経筋接合部により運動機能を制御する三次元再生骨格筋組織の構築

2012年度

研究成果概要: 骨格筋組織の発生では、一列に連なった筋芽細胞が融合して多核の筋管となり、筋管は横紋構造を示す収縮能をもった筋線維へと成熟する。さらに筋線維は、コラーゲンに富んだ筋内膜に覆われて同一方向へ配向した筋束を形成する。本研究では、I型... 骨格筋組織の発生では、一列に連なった筋芽細胞が融合して多核の筋管となり、筋管は横紋構造を示す収縮能をもった筋線維へと成熟する。さらに筋線維は、コラーゲンに富んだ筋内膜に覆われて同一方向へ配向した筋束を形成する。本研究では、I型コラーゲンを用いて独自にデザインした「弦状」の細胞培養足場を構築すると共に、細胞密度が高く収縮能をもつ大きな三次元の骨格筋組織の構築を進め、その構造と機能を解析した。 エレクトロスピニング法で紡糸中にグルタルアルデヒド(GA)架橋を施しながら、I型コラーゲン・マイクロファイバーを同一方向に配向させつつ、足場材料密度を下げて細胞が入り込む適度な間隔を保って中空に張り、三次元の「弦状」足場を作製した。ファイバーの配向化のため、2 cmの間隔を空けた平行な2枚の銅板をエレクトロスピニングのターゲット板に用いた。架橋により機械的強度の向上(無架橋との比較でヤング率と引張り強度共に、約2.7倍に増大)と耐水溶性が付与された。また、コラーゲン溶液(HFP溶液)の粘度、GAとの混合比(コラーゲン:GA = 1 : 0.2 (w/w))、紡糸時間(30秒)など諸条件の最適化により、平均ファイバー径は2 m、平均ファイバー間隔は6 mに制御された。足場に播種されたマウス筋芽細胞C2C12細胞およびラット初代筋芽細胞は、ファイバー間の空隙に入り込みながらファイバーに沿って配向・融合して筋管を形成し、これら筋管は同一方向へ高密度に集合して全長1 cmの三次元細胞構造体を形成した。三次元筋線維束組織の断面および切片をそれぞれSEMおよびワンギーソン染色法により画像解析したところ、断面のサイズは40 x 120 mで、設計通りにコラーゲンファイバーは組織全体に散在していた。 代表的な骨格筋マーカーであるミオシン重鎖で蛍光免疫染色を行い観察したところ、筋管組織の平均長は290 mであり一部の筋構造体には筋線維に特徴的な横紋がみられた。そこで、C2C12細胞から作製した三次元筋線維束組織に電気刺激を与えたところ、収縮が見られなかった。一方で、初代筋芽細胞から作製した組織では電気刺激を与えなくても自発的な収縮が観察され、運動機能を有する再生骨格筋組織の構築を達成した。今後は電気刺激与えてそのパターンにより運動を制御することを試みる。また、平行して取り組んでいる初代神経細胞から作製する再生神経束組織と共培養し、神経筋接合部の形成を評価すると共に、神経組織からのシグナル入力による骨格筋組織の運動制御にも取り組む予定である。

三次元可変集束層流マイクロ流体デバイスによるマクロ複合生体組織の創製

2013年度

研究成果概要:[緒言]細胞からのin vitroでの生体組織の作製研究は近年大きな注目を集めており、特に、移植医療への応用も可能なセンチメートル以上の大型組織の作製が望まれている。長大な血管組織や神経組織を作製するためには、マイクロ径のファイバ...[緒言]細胞からのin vitroでの生体組織の作製研究は近年大きな注目を集めており、特に、移植医療への応用も可能なセンチメートル以上の大型組織の作製が望まれている。長大な血管組織や神経組織を作製するためには、マイクロ径のファイバー状ハイドロゲル内で細胞を三次元包埋培養するアプローチが有力な手法と考え、本研究では、Core-Sheath状の同軸二層型ゲルファイバーを連続的に作製し得る新規なマイクロ流体デバイス(三次元可変シースフローマイクロ流体デバイス)を開発した。このゲルファイバー内部で血管内皮細胞または神経系細胞を包埋培養し、血管組織や神経組織の作成に向けた内皮細胞の融合および神経突起の伸長挙動を評価すると共に、これらを効率的に誘導する生体高分子ゲル材料についても検討した。[結果と考察]三次元可変シースフローマイクロ流体デバイスは、細胞を流すCoreとなる層に外側の流路からゲル作製用高分子溶液(Sheath層)を二段階であてて周囲を取り囲みながらCore層を流路中央へと寄せることで、Core-Sheath状の同軸二層を実現する設計とした。さらに、最外層の流路から供給したゲル化水溶液で高分子をゲル化させ、流れに乗せてゲルファイバーをデバイス外へと排出させる工夫を施した。まず、それぞれの流路を流れる各溶液の流量比を調節することによって、Core層の直径を10 μmから40 μm程度まで調節できることを確認した。続いて、Ca2+との錯形成でハイドロゲルを形成するアルギン酸をSheath層から導入し、最外流路からはCa2+を供給して細胞をCore層に包埋したゲルファイバーを作製した。Core-Sheath状の同軸二層型ゲルファイバーの形成は、細胞と一緒にCore層にFITC標識コラーゲンを導入して蛍光でCore層のみを可視化することで確認した。Core層にPC12細胞を導入し、Sheath層のゲル材料にはアルギン酸のみを用いた実験では、三日間の培養において神経様突起がCore層に沿って伸長する様子が観察され、また80%以上のviabilityが得られた。さらに、より細胞培養に適した培養場とするため、Sheath層のハイドロゲル材料について検討を加えた。多糖であるアルギン酸に同じく多糖類のカラギーナンを組み合わせたり、細胞の三次元培養足場に頻用されるゼラチンやフィブリン(いずれもタンパク質)とアルギン酸との組み合わせについても評価した。ウシ大動脈血管内皮細胞(BAEC)をCore層に導入して検討したところ、カラギーナンとの組み合わせではゲルが脆くなってしまったのに対し、ゼラチンおよびフィブリンと組み合わせたゲルファイバーでは十分なゲル強度が確保され、90%以上のviabilityが得られた。さらに細胞が一列に連なった構造体が観察された。今後のさらなる研究進展により、本デバイスを用いて作製したゼラチンやフィブリンを主体とするゲルファイバーを用いて、長大な毛細血管や神経組織の構築が期待される。

分子・細胞・組織の階層的集積と統合による運動器官生体ロボットの創製

2013年度

研究成果概要:  生体には、細胞や基質が一方向に配向して構造化し機能を発現する組織が見られる。骨格筋組織では、筋芽脂肪が縦一列に整列・融合して筋管へと分化し、筋管は筋線維へと成熟する。多数の筋線維は同一方向に配向しながら三次元の束となって大き...  生体には、細胞や基質が一方向に配向して構造化し機能を発現する組織が見られる。骨格筋組織では、筋芽脂肪が縦一列に整列・融合して筋管へと分化し、筋管は筋線維へと成熟する。多数の筋線維は同一方向に配向しながら三次元の束となって大きな収縮力を示す骨格筋組織を形成する。さらに、骨格筋の端は腱組織へと連なるが、この腱組織は主に配向したⅠ型コラーゲン線維からなり、線維軟骨へと移行しながら傾斜的に石灰化が進み、最終的に骨へ埋入する。このような構造と機能をもった骨格筋と腱の三次元組織をin vitroで工学的に作製することを目指し、エレクトロスピニング法により生体適合性材料を用いて作製したマイクロファイバーを基盤とした三次元培養足場を構築した。 骨格筋組織の作製では、ファイバー同士に適度な間隔を与えつつ同一方向に配向させて中空に張った「弦状」の足場を作製した。これまでに、I型コラーゲンで作製した長さ1 cm x 幅5 mmの弦状足場でラット初代骨格筋細胞を培養して三次元筋組織を構築した成果を踏まえて、より大型の組織作製に取り組んだ。このため、I型コラーゲンに生分解性高分子であるポリカプロラクトン(PCL)を組み合わせてファイバーの強度を向上させ、ドラムコレクタを用いてファイバーの配向化を効率的に行なうことで、長さ2 cm x 幅1 cmへと足場の大型化を達成した。この足場にラット初代骨格筋細胞を播種し21~24日間培養することで、拍動120回/分、収縮率2%程度の自発的収縮能を有し横紋構造をもつ骨格筋組織の形成を達成した。蛍光抗体染色と画像解析による組織中央部における横紋組織の存在率は、約70%と見積もられた。 腱組織については、長さ1 cmの弦状足場の半分を塩化カルシウム溶液とリン酸水素二ナトリウム溶液へ交互に浸漬し、ファイバー束の半分にHApを析出させた傾斜的石灰化三次元足場を作製した。XPSによる元素組成の解析から、傾斜的にHApが析出していることが確認された。この足場に線維芽細胞NIH3T3、前骨芽細胞MC3T3-E1さらにヒト骨髄由来間葉系幹細胞(hbmMSC)をそれぞれ播種したところ、傾斜化した足場の線維部、移行部、HAp化部の各局所において細胞の形態・分布が変化した。また、腱マーカーであるスクレラキシス(Scx)遺伝子の発現をqRT-PCRにより定量的に解析したところ、足場材料の違いによりhbmMSCsのScx遺伝子発現の変化が示唆された。 以上の結果を踏まえて、今後、各再生組織の構造と機能の改善をさらに進めると共に、別途作製を進めている神経束組織や血管組織とも組み合わせて複合組織・器官の構築を目指す。

マイクロ材料工学を基盤とした大型三次元生体組織の構築と複合組織化による機能制御

2014年度共同研究者:庄子 習一, 関口 哲志, 有坂 慶紀, 奥 仁美, 小町 駿介, 南齋 浩樹, 後藤 耀諒, 近澤 朋亮

研究成果概要:再生医療応用を目指し、細胞を組み上げて三次元の生体組織を作製する研究が大きな注目を集めている。管腔化した三次元組織である毛細血管は、他の再生組織の深部へ血流を供給する応用も期待され、重要な研究のターゲットである。本研究では、血管内...再生医療応用を目指し、細胞を組み上げて三次元の生体組織を作製する研究が大きな注目を集めている。管腔化した三次元組織である毛細血管は、他の再生組織の深部へ血流を供給する応用も期待され、重要な研究のターゲットである。本研究では、血管内皮細胞から長大な毛細血管組織の作製を目的とし、長さ数十cm ~ mスケール、直径約100μmの同軸二層のCore[芯]–Sheath[鞘]型(CS型)ゲルファイバー三次元培養場を、独自に開発した三次元的な層流を形成できるマイクロ流体デバイスにより作製した。Core層に血管内皮細胞を懸濁して導入し、Sheath層に生体適合性の高い混合ゲルを用いて包埋培養し、管腔化した毛細血管組織の作製に成功した。Fabricating engineered tissues by assembling individual cells is ofgreat interest to engineers and scientists. Tissues and organs of a human bodyhave three-dimensional fine structures, and their size is centimeter and/ormeter scale. Therefore, for regenerative medicine applications, engineeredtissues should be the same size, and it is necessary to develop innovativetechnologies to assemble the cells into a three-dimensional and largestructure. In this study, we developed the novel microfluidic device, which canform three-dimensional laminar flow in its micro channel, and we applied this deviceto fabricate the engineered blood capillaries (vessels).The three-dimensional laminar flow consists of a core layer and acoaxially surrounding sheath layer. By continuously introducing different solmaterials to each layer and subsequently gelating them, the double layeredhydrogels of fiber shape were fabricated. Vascular endothelial cells were alsosuccessively introduced in the core layer and three-dimensionally cultured inthe hydrogel fiber so that the cells autonomously developed into long bloodcapillary. Various biopolymers were used as gel materials and examined how theyaffect gel fiber formation and tissue development.

配向化コラーゲン線維束三次元足場の傾斜的石灰化と腱骨移行部再生組織構築への応用

2014年度共同研究者:有坂 慶紀

研究成果概要:腱組織は、配向したⅠ型コラーゲン線維が傾斜的に石灰化しながら線維軟骨組織を経て骨組織へと埋入する。腱断裂において線維軟骨は再生されないために、再生組織の作製が期待されている。本研究では、生体組織構造を模倣して、配向Ⅰ型コラーゲンマ...腱組織は、配向したⅠ型コラーゲン線維が傾斜的に石灰化しながら線維軟骨組織を経て骨組織へと埋入する。腱断裂において線維軟骨は再生されないために、再生組織の作製が期待されている。本研究では、生体組織構造を模倣して、配向Ⅰ型コラーゲンマイクロファイバーに傾斜的にハイドロキシアパタイトを析出させた新たな三次元培養足場を構築した。さらに、この足場上で培養した線維芽細胞と間葉系幹細胞が、足場構造に応じて生体内と同様な細胞形態へと変化することを見出した。さらに、傾斜的石灰化構造に応じた間葉系幹細胞の腱細胞への分化誘導を示唆する新たな知見を得た。The tendon tissue consists of uniformly oriented typeI collagen fibers. These collagen fibers gradually bear hydroxyapatite and areembedded into bone tissue. For constructing a regenerative tendon tissue, a three-dimensionaland oriented collagen microfiber scaffold, on which hydroxyapatite gradually deposited,was fabricated by mimicking the native tissue. Depending on the graduallychanging components of the scaffold, the fibroblasts and mesenchymal stem cells(MSCs) cultured on the scaffold was found to change their shape as they take invivo. Furthermore, the novel data suggesting that MSCs differentiated intotendon cells depending on the scaffold structure was obtained.

同軸重層マイクロゲルファイバーを基盤とした成熟血管組織作製システムの創成

2015年度

研究成果概要:細胞を組み上げて三次元の生体組織を作製する再生医療研究において、拡散により栄養や酸素が十分に行き届くのが困難な組織内部へこれらを血流により供給する長大な毛細血管組織の構築は極めて重要である。本研究では、基本ユニットを積層化させて作...細胞を組み上げて三次元の生体組織を作製する再生医療研究において、拡散により栄養や酸素が十分に行き届くのが困難な組織内部へこれらを血流により供給する長大な毛細血管組織の構築は極めて重要である。本研究では、基本ユニットを積層化させて作製し、三次元的な層流を安定して形成できる新たなマイクロ流体デバイスを開発し、血管内皮細胞からの血管組織構築に有用な同軸二層のマイクロゲルファイバー培養足場の作製。新デバイスによりゲルファイバーの作製効率の向上を達成すると共に、アルギン酸に細胞接着ペプチドを化学修飾した新たなゲル材料の作製も進めた。Fabrication of large, long, and/or thick engineeredtissues, which are implantable to human body for regenerative medicine,attracts great interest. For this purpose, fabrication and introduction of 3Dand long blood vessels to maintain cells in the internal area of 3D tissues arecritical and the challenging subjects. In this study, the co-axial doublelayered microgel fibers (micrometers in diameter but tens of centimeters inlength) were prepared as the 3D culture scaffolds. The 3D sheath flowmicrofluidic device was improved and the new-type device, which was composed thestacking basic units, was developed. Effective fabrication of the microgel fiberswas also achieved using this device. Vascular endothelial cells were three-dimensionallycultured in the core layer of the microgel fiber and formed luminal structure. Thegel materials increased in cell-adhesion worked to enhance formation of luminalcapillary.

現在担当している科目

科目名開講学部・研究科開講年度学期
生命科学概論A 電子物理基幹理工学部2017春学期
生命科学概論A 建築・経営・社工・資源創造理工学部2017春学期
生命科学概論B 生医先進理工学部2017春学期
理工学基礎実験2B 化学先進理工学部2017秋学期
理工学基礎実験2B 生医先進理工学部2017秋学期
生命医科学ゼミナールI先進理工学部2017春学期
生命医科学ゼミナールI  【前年度成績S評価者用】先進理工学部2017春学期
有機化学A先進理工学部2017秋クォーター
有機化学A 【前年度成績S評価者用】先進理工学部2017秋クォーター
分析化学A先進理工学部2017秋学期
分析化学A  【前年度成績S評価者用】先進理工学部2017秋学期
生命医科学ゼミナールII先進理工学部2017秋学期
生命医科学ゼミナールII  【前年度成績S評価者用】先進理工学部2017秋学期
Advanced Life Science and Medical Bioscience Laboratory先進理工学部2017春学期
生命医科学実験II先進理工学部2017春学期
生命医科学実験II  【前年度成績S評価者用】先進理工学部2017春学期
卒業研究先進理工学部2017通年
卒業研究  【前年度成績S評価者用】先進理工学部2017通年
フロンティア・バイオメディカルエンジニアリング先進理工学部2017春学期
生命医科学実験IV先進理工学部2017春学期
生命医科学実験V先進理工学部2017秋学期
生命機能材料科学先進理工学部2017春学期
Life Science and Medical Bioscience Seminar I先進理工学部2017秋学期
Introduction to Medical Science先進理工学部2017集中講義(秋学期)
Life Science and Medical Bioscience Seminar II先進理工学部2017春学期
Bioscience Practicals A先進理工学部2017秋学期
Bioscience Practicals B先進理工学部2017春学期
Graduation Thesis A先進理工学部2017秋学期
Graduation Thesis B先進理工学部2017春学期
修士論文(生医)大学院先進理工学研究科2017通年
Research on Biomaterials Science and Engineering大学院先進理工学研究科2017通年
生命機能材料科学研究大学院先進理工学研究科2017通年
医工学特論大学院先進理工学研究科2017秋学期
Advanced Biomaterials Science and Engineering大学院先進理工学研究科2017春学期
生命機能材料科学特論大学院先進理工学研究科2017春学期
Seminar on Biomaterials Science and Engineering A大学院先進理工学研究科2017春学期
生命機能材料科学演習A大学院先進理工学研究科2017春学期
Seminar on Biomaterials Science and Engineering B大学院先進理工学研究科2017秋学期
生命機能材料科学演習B大学院先進理工学研究科2017秋学期
Master's Thesis (Department of Life Science and Medical Bioscience)大学院先進理工学研究科2017通年
生命機能材料科学研究大学院先進理工学研究科2017通年
キャリアアップ実習大学院先進理工学研究科2017通年
バイオマテリアル・ナノ医療特論大学院先進理工学研究科2017秋学期
生命科学概論 02グローバルエデュケーションセンター2017春学期

作成した教科書・教材・参考書

生命科学概論 −環境・エネルギーから医療まで−

2012年04月

その他教育活動

学会受賞(学生)、榑林 哲也、修士2年

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概要:第4回CSJ化学フェスタ2012、優秀ポスター発表賞

学会受賞(学生)、中村 雄太郎、修士2年

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概要:第3回CSJ化学フェスタ2012、優秀ポスター発表賞

学会受賞(学生)、奥 仁美、修士1年

学会受賞(学生)、坪倉 彩、修士1年

学会受賞(学生)、坪倉 彩、修士1年

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概要:第2回CSJ化学フェスタ2012、優秀ポスター発表賞

学会受賞(学生)、田村健一、修士1年

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概要:第21回インテリジェント材料/システムシンポジウム&第6回バイオ・ナノテクフォーラムシンポジウム、奨励賞

学会受賞(学生)、田村健一、修士1年

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概要:第1回CSJ化学フェスタ —2011世界化学年記念大会— 、優秀ポスター発表賞

学会受賞(学生)、川岸祥史、修士1年

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概要:第1回CSJ化学フェスタ —2011世界化学年記念大会— 、優秀ポスター発表賞

社会貢献活動

日経産業新聞(報道)

2011年01月-

イベント・番組・雑誌名:日経産業新聞(報道)

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概要:早大「培養細胞、生存率6倍」、ゲル流せる容器開発、栄養・酸素 豊富に