大橋 俊朗 (オオハシ トシロウ)

工学研究院 機械・宇宙航空工学部門 人間機械システム教授
Last Updated :2025/07/05

■研究者基本情報

学位

  • 博士(工学), 東北大学

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研究キーワード

  • バイオメカニクス
  • 細胞骨格
  • 内皮細胞
  • 細胞力学応答
  • 血管内皮細胞
  • 有限要素法
  • 微細加工技術
  • 力学伝達経路
  • マイクロマシニング
  • 細胞牽引力
  • 平滑筋細胞
  • 近接場光
  • バイオチップ
  • シグナル伝達
  • バイオMEMS
  • 弾性係数
  • ソフトリソグラフィー
  • カルシウムイオン
  • FRAP
  • 非線形弾性
  • マクロウェル
  • 遊走性
  • 細胞接着制御
  • 流れ負荷
  • 生物フォトン
  • リモデリング
  • 動脈硬化症
  • マクロフルディクス
  • 共存培養血管
  • 遺伝子導入技術

研究分野

  • ライフサイエンス, 生体材料学
  • ライフサイエンス, 生体医工学
  • 情報通信, 機械力学、メカトロニクス
  • 情報通信, ロボティクス、知能機械システム
  • ものづくり技術(機械・電気電子・化学工学), 材料力学、機械材料

担当教育組織

■経歴

経歴

  • 2009年04月 - 現在
    北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授
  • 2002年10月 - 2009年03月
    東北大学, 大学院工学研究科, 准教授
  • 2008年04月 - 2008年10月
    スウェーデン王立工科大学, 客員研究員
  • 2004年03月 - 2005年03月
    イギリスロンドン大学クイーンマリー校, 客員研究員
  • 1994年04月 - 2002年09月
    東北大学, 大学院工学研究科, 助手

学歴

  • 1994年, 筑波大学, 理工学研究科, 理工学, 日本国
  • 1991年, 筑波大学, 第三学群, 基礎工学類・変換工学専攻, 日本国

委員歴

  • 2023年04月 - 現在
    日本バイオレオロジー学会, 理事長, 学協会
  • 2022年07月 - 現在
    世界バイオメカニクス評議会, 秘書, 学協会
  • 2021年04月 - 現在
    日本生体医工学会北海道支部, 支部長, 学協会
  • 2020年12月 - 現在
    日本工学アカデミー, 会員, 学協会
  • 2019年04月 - 現在
    日本バイオレオロジー学会, 副理事長, 学協会
  • 2018年 - 現在
    世界バイオメカニクス評議会, 評議委員, 学協会
  • 2010年04月 - 現在
    アジア太平洋バイオメカニクス会議, 幹事, 学協会
  • 2008年
    日本機械学会バイオエンジニアリング部門国際委員会, 幹事, 学協会
  • 2007年 - 2007年
    第46回日本生体医工学会大会実行委員会, 委員長, 学協会
  • 2007年
    Acta Biomaterialia, 校閲委員, 学協会
  • 2007年
    日本生体医工学会, 平成19・20年度代議員, 学協会
  • 2006年 - 2006年
    日本機械学会第19回バイオエンジニアリング講演会実行委員会, 委員, 学協会
  • 2006年
    ASME Journal of Biomechanical Engineering, 校閲委員, 学協会
  • 2005年 - 2005年
    第28回日本バイオレオロジー学会年会実行委員会, 委員長, 学協会
  • 2005年 - 2005年
    日本機械学会東北支部第41期総会・講演会実行委員会, 委員, 学協会
  • 2005年 - 2005年
    The Second Japan-Switzerland Workshop on Biomechanics, 実行委員会幹事, 学協会
  • 2004年 - 2005年
    日本生体医工学会バイオメカニクス研究会, 幹事, 学協会
  • 2005年
    日本機械学会, 論文集編集委員会校閲委員, 学協会
  • 2004年 - 2004年
    日本機械学会, 2004年度(第82期)論文集編集委員会校閲委員, 学協会
  • 2004年 - 2004年
    日本機械学会バイオエンジニアリング部門, 代議員(第82期), 学協会
  • 2003年 - 2004年
    日本エム・イー学会東北支部, 役員(連絡担当幹事), 学協会
  • 2004年
    日本機械学会論文集編集委員会, 校閲委員(第82期-), 学協会
  • 2003年 - 2003年
    日本機械学会バイオエンジニアリング部門, 広報委員会委員(第81期), 学協会
  • 2003年 - 2003年
    The 1st International Symposium on Future Medical Engineering based on Bio-nanotechnology, 実行委員会委員, 学協会
  • 2003年 - 2003年
    日本機械学会バイオエンジニアリング部門運営委員会, 委員(第81期), 学協会
  • 2003年 - 2003年
    日本機械学会第14回バイオフロンティア講演会実行委員会, 委員長, 学協会
  • 2002年 - 2003年
    日本機械学会バイオエンジニアリング部門広報委員会, 委員(第80, 81期), 学協会
  • 2000年 - 2000年
    日本機械学会第13回バイオエンジニアリング講演会実行委員会, 委員, 学協会
  • 2000年
    日本エム・イー学会東北支部(現:日本生体医工学会), 役員(幹事), 学協会

■研究活動情報

受賞

  • 2025年05月, 日本機械学会, 2024年度バイオエンジニアリング部門業績賞               
  • 2008年, 日本機械学会賞(論文)               
    日本国
  • 2004年, 2003年度日本機械学会バイオエンジニアリング部門第12回瀬口賞               
    日本国
  • 2004年, 日本エム・イー学会第18回日本エム・イー学会秋季大会研究奨励賞               
    日本国
  • 2002年, Outstanding Paper Award at the International Congress on Biological and Medical Engineering               
  • 2002年, Finalist for a Calgary Award at the IV World Congress of Biomechanics               
  • 2002年, 日本エム・イー学会平成13年度科学新聞賞・研究奨励賞・阪本研究刊行助成賞・阿部賞               
    日本国
  • 2001年, Award for Best Poster in the Category Cell and Molecular Mechanics               
    日本国
  • 2000年, Outstanding paper award               
    日本国
  • 2000年, 日本機械学会賞(論文)               
    日本国

論文

  • Pre-alignment of fibroblasts induced by micropatterning and cyclic stretching techniques accelerates wound healing
    Ryota Toyohara, Yanan Lan, Yu Chen, Takaya Yoriki, Toshiro Ohashi
    Bio-Medical Materials and Engineering, 36, 3, 200, 206, SAGE Publications, 2025年01月17日, [査読有り], [最終著者]
    英語, 研究論文(学術雑誌), Background

    Wound healing proceeds through a complex collaborative process. It has been shown that during the intermediate phase of the wound healing process, fibroblasts migrate into wound area and contract to contribute to the closure of the wound area. Moreover, previous studies have shown that fibroblast alignment was observed on the mature stage of wound scar. These studies clearly indicate that fibroblasts play a critical role in wound healing process, however, the whole mechanism of wound healing remains still unclear.

    Objective

    Fibroblasts are pre-aligned to evaluate the effect of cell alignment on cell migration rate.

    Methods

    The cell alignment was accomplished by PDMS microstamping with fibronectin and application of cyclic stretching. Wound was created by physical scratching and then the wound closure rate was measured.

    Results

    The pre-aligned cells perpendicular to the direction of scratched wound exhibited significantly higher migration rate, compared to non-aligned control cells. Moreover, pre-aligned cells with thick actin filaments by cyclic stretching migrated faster than those with less development of actin filament structures by microstamping.

    Conclusion

    The wound closure can be accelerated by the adequate alignment of fibroblasts as well as the development of actin filament structures.
  • A Review of Fabrication and Applications of Confined Microchannels for Cell Migration Assay
    Mazlee Bin Mazalan, Ryota Toyohara, Toshiro Ohashi
    International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 25, 7, 1525, 1538, Springer Science and Business Media LLC, 2024年05月27日, [査読有り], [最終著者]
    英語, 研究論文(学術雑誌)
  • A literature review of biomechanical studies on physiological and pathological sacroiliac joints: Articular surface structure, joint motion, dysfunction and treatments
    Ryota Toyohara, Toshiro Ohashi
    Clinical Biomechanics, 114, 106233, 106233, Elsevier BV, 2024年04月, [査読有り], [最終著者]
    英語, 研究論文(学術雑誌)
  • In silico analysis on sacroiliac joint fixation during normal walking
    Ryota TOYOHARA, Daisuke KUROSAWA, Niels HAMMER, Toshiro OHASHI
    Journal of Biomechanical Science and Engineering, 19, 4, 24, 00036, Japan Society of Mechanical Engineers, 2024年, [査読有り], [最終著者]
    英語, 研究論文(学術雑誌)
  • Experimental characterization of motion resistance of the sacroiliac joint.
    Ryota Toyohara, Niels Hammer, Toshiro Ohashi
    Bio-medical materials and engineering, 2023年07月31日, [査読有り], [最終著者], [国際誌]
    英語, 研究論文(学術雑誌), BACKGROUND: The human sacroiliac joint (SIJ) in vivo is exposed to compressive and shearing stress environment, given the joint lines are almost parallel to the direction of gravity. The SIJ supports efficient bipedal walking. Unexpected or unphysiological, repeated impacts are believed to cause joint misalignment and result in SIJ pain. In the anterior compartment of the SIJ being synovial, the articular surface presents fine irregularities, potentially restricting the motion of the joints. OBJECTIVE: To clarify how the SIJ articular surface affects the resistance of the motion under physiological loading. METHODS: SIJ surface models were created based on computed tomography data of three patients and subsequently 3D printed. Shear resistance was measured in four directions and three combined positions using a customized setup. In addition, repositionability of SIJs was investigated by unloading a shear force. RESULTS: Shear resistance of the SIJ was the highest in the inferior direction. It changed depending on the direction of the shear and the alignment position of the articular surface. CONCLUSION: SIJ articular surface morphology is likely designed to accommodate upright bipedal walking. Joint misalignment may in consequence increase the risk of subluxation.
  • Effect of width of microchannel device on behavior of collective cell migration
    Mohamad Anis Bin RAMLAN, Ryota TOYOHARA, Toshiro OHASHI
    Journal of Biomechanical Science and Engineering, 18, 4, 23, 00536, Japan Society of Mechanical Engineers, 2023年, [査読有り], [最終著者]
    英語, 研究論文(学術雑誌)
  • Numerical analysis of the effects of padded pelvic belts as a treatment for sacroiliac joint dysfunction.
    Ryota Toyohara, Takahiro Hiramukai, Daisuke Kurosawa, Niels Hammer, Toshiro Ohashi
    Bio-medical materials and engineering, 2022年12月08日, [査読有り], [最終著者], [国際誌]
    英語, 研究論文(学術雑誌), BACKGROUND: Pain related to the sacroiliac joint (SIJ) accounts for low back pain in 15%-30% of patients. One of the most common treatment options is the use of pelvic belts. Various types of pelvic belts exist; however, the mechanisms underlying treatment and their effectiveness remain unclear to date. OBJECTIVE: To analyze stress distribution in the pelvis when a pelvic rubber belt or a padded pelvic belt is applied, to assess the effectiveness of treatment from a numerical biomechanical perspective. METHODS: The pressure distribution at the pelvic belts was measured using a device and subsequently modeled with the finite element method of a pelvis with soft tissues. The stress environment when wearing a pelvic belt in a double-leg stance was simulated. RESULTS: With the application of pelvic belts, the innominate bone rotated outward, which was termed an out-flare. This caused the SIJ to compress and cause reduction in sacrotuberous, sacrospinous, interosseous, and posterior sacroiliac ligament loading. Padded pelvic belts decreased the SIJ displacement to a greater extent than in pelvic rubber belts. CONCLUSION: Pelvic belts aid in compressing the SIJ and reduce its mobility.
  • A patient-cohort study of numerical analysis on sacroiliac joint stress distribution in pre- and post-operative hip dysplasia
    Ryota Toyohara, Ayumi Kaneuji, Noriyuki Takano, Daisuke Kurosawa, Niels Hammer, Toshiro Ohashi
    Scientific Reports, 12, 1, 14500, 14500, 2022年08月25日, [査読有り], [最終著者], [国際誌]
    英語, 研究論文(学術雑誌), In acetabular dysplasia, the cartilaginous roof on the acetabular side does not fully cover the femoral head, which may lead to abnormal stress distribution in both the femoral head and pelvis. These stress changes may have implications to the adjacent sacroiliac joint (SIJ). The SIJ has a minimal range of motion and is closely coupled to the adjacent spine and pelvis. In consequence, the SIJ may react sensitively to changes in stress distribution at the acetabulum, with hypermobility-induced pain. The purpose of this study was to investigate the stress distribution of the SIJ in acetabular dysplasia, and to gain insight into the cause and mechanisms of hypermobility-induced pain at the SIJ. Finite element models of pre- and postoperative pelves of four patients with acetabular dysplasia were created and analyzed in double leg standing positions. The preoperative models were relatively inflare, the sacral nutation movement, SIJ cartilage equivalent stress, and the load on the surrounding ligaments decreased with increased posterior acetabular coverage. Acetabular morphology was shown to affect the SIJ, and improvement of the posterior acetabular coverage may help normalize load transmission of the pelvis and thus improve the stress environment of the SIJ in acetabular dysplasia.
  • Reduction of Cardiac Fibrosis by Interference With YAP-Dependent Transactivation
    Gloria Garoffolo, Manuel Casaburo, Francesco Amadeo, Massimo Salvi, Giacomo Bernava, Luca Piacentini, Isotta Chimenti, Germana Zaccagnini, Gesmi Milcovich, Estella Zuccolo, Marco Agrifoglio, Sara Ragazzini, Otgon Baasansuren, Claudia Cozzolino, Mattia Chiesa, Silvia Ferrari, Dario Carbonaro, Rosaria Santoro, Martina Manzoni, Loredana Casalis, Angela Raucci, Filippo Molinari, Lorenzo Menicanti, Francesca Pagano, Toshiro Ohashi, Fabio Martelli, Diana Massai, Gualtiero I. Colombo, Elisa Messina, Umberto Morbiducci, Maurizio Pesce
    Circulation Research, 131, 3, 239, 257, Ovid Technologies (Wolters Kluwer Health), 2022年07月22日, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌), Background:

    Conversion of cardiac stromal cells into myofibroblasts is typically associated with hypoxia conditions, metabolic insults, and/or inflammation, all of which are predisposing factors to cardiac fibrosis and heart failure. We hypothesized that this conversion could be also mediated by response of these cells to mechanical cues through activation of the Hippo transcriptional pathway. The objective of the present study was to assess the role of cellular/nuclear straining forces acting in myofibroblast differentiation of cardiac stromal cells under the control of YAP (yes-associated protein) transcription factor and to validate this finding using a pharmacological agent that interferes with the interactions of the YAP/TAZ (transcriptional coactivator with PDZ-binding motif) complex with their cognate transcription factors TEADs (TEA domain transcription factors), under high-strain and profibrotic stimulation.

    Methods:

    We employed high content imaging, 2-dimensional/3-dimensional culture, atomic force microscopy mapping, and molecular methods to prove the role of cell/nuclear straining in YAP-dependent fibrotic programming in a mouse model of ischemia-dependent cardiac fibrosis and in human-derived primitive cardiac stromal cells. We also tested treatment of cells with Verteporfin, a drug known to prevent the association of the YAP/TAZ complex with their cognate transcription factors TEADs.

    Results:

    Our experiments suggested that pharmacologically targeting the YAP-dependent pathway overrides the profibrotic activation of cardiac stromal cells by mechanical cues in vitro, and that this occurs even in the presence of profibrotic signaling mediated by TGF-β1 (transforming growth factor beta-1). In vivo administration of Verteporfin in mice with permanent cardiac ischemia reduced significantly fibrosis and morphometric remodeling but did not improve cardiac performance.

    Conclusions:

    Our study indicates that preventing molecular translation of mechanical cues in cardiac stromal cells reduces the impact of cardiac maladaptive remodeling with a positive effect on fibrosis.
  • Identification of leader cells by filopodia in collective cell migration using computer vision
    Mun Kit Lai, Baasansuren Otgon, Toshiro Ohashi
    Mun Kit Lai;Baasansuren Otgon;Toshiro Ohashi, 1, 9, IOS Press, 2022年04月19日, [査読有り], [最終著者]
    英語, 研究論文(学術雑誌), BACKGROUND: Imaging of cells and cellular organelles has been of great interest among researchers and medical staff because it can provide useful information on cell physiology and pathology. Many researches related to collective cell migration have been established and leader cells seem to be the ones that regulate the migration, however, the identification of leader cells is very time-consuming. OBJECTIVE: This study utilized computer vision with deep learning to segment cell shape and to identify leader cells through filopodia. METHODS: Healthy Madin–Darby Canine Kidney (MDCK) cells cultured in a Polydimethylsiloxane (PDMS) microchannel device allowed collective cell migration as well as the formation of leader cells. The cells were stained, and cell images were captured to train the computer using UNet++ together with their corresponding masks created using Photoshop for automated cell segmentation. Lastly, cell shape and filopodia were filtered out using Filopodyan and FiloQuant were detected. RESULTS: The segmentation of cell shape and the identification of filopodia were successful and produced accurate results in less than one second per image. CONCLUSIONS: The proposed approach of image analysis would be a great help in the field of cell science, engineering, and diagnosis.
  • Mechanical Properties of Isolated Primary Cilia Measured by Micro-Tensile Test and Atomic Force Microscopy               
    Tien-Dung Do, Jimuro Katsuyoshi, Haonai Cai, Toshiro Ohashi
    Frontiers in Bioengineeing and Biotechnology, 2021年, [査読有り], [最終著者]
  • Quantitative evaluation of the sacroiliac joint fixation in stress reduction on both sacroiliac joint cartilage and ligaments: a finite element analysis               
    B. Venayre, Y. Koyama, D. Kurosawa, N. Hammer, U. Lingslebe, E. Murakami, H. Ozawa, T. Ohashi
    Clinical Biomechanics, 85, 105350, 2021年, [査読有り], [最終著者]
  • Finite element analysis of load transition on sacroiliac joint during bipedal walking
    R. Toyohara, D. Kurosawa, N. Hammer, M. Werner, K. Honda, Y. Sekiguchi, S. Izumi, E. Murakami, H. Ozawa, T. Ohashi
    Scientific Reports, 10, 1, 13683, 13683, 2020年, [査読有り], [最終著者], [国際誌]
    英語, 研究論文(学術雑誌), The sacroiliac joint (SIJ) is burdened with variant loads. However, no methods have allowed to measure objectively how the SIJ deforms during bipedal walking. In this study, in-vivo walking conditions were replicated in a kinematic model combining the finite element method with 3D walking analysis data divided into five phases in order to visualize the load transition on the SIJ and clarify the role of the SIJ. Both models with and without inclusion of the SIJ were investigated. In models with bilateral SIJs, the displacement differed greatly between the sacrum and both hip bones on the SIJ as the boundary. The movements of the sacrum involved a nutation movement in the stance phase and a counter-nutation in the swing phase relative to the ilium. In models without SIJs, the displacement of the pelvis and loads of pelvic ligaments decreased, and the equivalent stress of the SIJs increased compared to the model with SIJs. The walking loads cause distortion of the entire pelvis, and stress concentration at the SIJ are seen due to the morphology of the pelvic ring. However, the SIJs help dissipate the resulting stresses, and the surrounding ligaments are likewise involved in load transmission.
  • Effect of Geometric Curvature on Collective Cell Migration in Tortuous Microchannel Devices               
    M.B. Mazalan, M.A.B. Ramlan, J.H. Shin, T. Ohashi
    Micromachines, 11, 7, 659, 2020年, [査読有り], [最終著者]
  • コラーゲン・トリペプチドの軟骨細胞に対する賦活作用               
    大橋 俊朗, 山本 祥子, 松本 陽, 沼田 徳暁, 酒井 康夫, 佐藤 正明
    応用薬理, 98, 1, 5, 2020年, [査読有り]
  • Mechanical properties of a new thermally deformable mitral valve annuloplasty ring and its effects on the mitral valve.
    Tatsuya Seki, Katsuyoshi Jimuro, Yasushige Shingu, Satoru Wakasa, Hiroki Katoh, Tomonori Ooka, Tsuyoshi Tachibana, Suguru Kubota, Toshiro Ohashi, Yoshiro Matsui
    Journal of artificial organs : the official journal of the Japanese Society for Artificial Organs, 22, 2, 126, 133, 2019年06月, [査読有り], [国内誌]
    英語, 研究論文(学術雑誌), Ideally, an annuloplasty ring's shape should be changed intraoperatively if mitral valve repair is unsuccessful because of a short coaptation length or systolic anterior motion. Several post-implantation adjustable rings have been developed, but they are not freely deformable and are unsuitable for asymmetric repair of the valvular annulus. We developed a novel thermally deformable mitral annuloplasty ring to address these problems and assessed the ring's mechanical properties and its effect on the mitral valve anatomy. This ring was made of polycaprolactone. Tensile and bending tests were performed to evaluate the ring's mechanical properties. The ratio of the transverse and septal-lateral length was determined as 4:3. Using 10 pig hearts, we measured the post-deformation coaptation length and minimum distance from the coaptation to the ventricular septum, which is a factor of abnormal systolic anterior motion of the mitral valve. In the mechanical tests, the ring's yield point was greater than the deformation force of the annulus in humans. In pigs with deformation from "4:3" to "4:2", the coaptation length was significantly increased in each mitral valve part. In pigs with deformation from "4:3" to "4:4", the minimum distance from the coaptation to the ventricular septum was significantly increased. Asymmetrical ring deformation increased the coaptation length only at the deformed area. In conclusion, this new thermally deformable mitral annuloplasty ring could be "order-made" to effectively change the coaptation length in all parts of the mitral valve and the distance from the coaptation to septum post-deformation via intraoperative heating.
  • Depletion of glycosphingolipids induces excessive response of chondrocytes under mechanical stress
    S. Matsubara, T. Onodera, E. Maeda, D. Momma, M. Matsuoka, K. Homan, T. Ohashi, N. Iwasaki
    Journal of Biomechanics, 94, 22, 30, 2019年, [査読有り], [責任著者], [国際誌]
    英語, 研究論文(学術雑誌), Glycosphingolipids (GSLs) are ubiquitous membrane components that play an indispensable role in maintaining chondrocyte homeostasis. To gain better insight into roles of GSLs, we studied the effects of GSL-deletion on the physiological responses of chondrocytes to mechanical stress. Mice lacking Ugcg gene (Ugcg-/-) were genetically generated to obtain GSL-deficient mice, and their chondrocytes from the joints were used for functional analyses in vitro culture experiments. The cells were seeded in a three-dimensional collagen gel and subjected to 5%, 10% or 16% cyclic tensile strain for either 3 or 24 h. The gene expressions of chondrocyte anabolic and catabolic factors, and the induction of Ca2+ signaling were analyzed. Our results revealed that chondrocytes derived from GSL-deficient mice exhibited an elevation in the expression of catabolic factors (ADAMTS-5, MMP-13) following the exposure to strain with amplitudes of 10%. Likewise, applying cyclic tensile strain with these amplitudes resulted in an increased Ca2+ oscillation ratio in chondrocytes from GSL-deficient as compared to the ratio from control mice. These results demonstrated that deletion of GSL stimulated the catabolic responses of chondrocytes to mechanical stress via the augmentation of the sensitivity to mechanical stress that may lead to the cartilage deterioration. These findings suggest that the regulation of the physiological responses of chondrocytes by GSLs could be a potential target in a therapeutic intervention in osteoarthritis.
  • 軟骨細胞の力学的ストレス応答におけるスフィンゴ糖脂質の機能解析
    松原 新史, 小野寺 智洋, 門間 太輔, 馬場 力哉, 本谷 和俊, 上徳 善太, 宝満 健太郎, 岩崎 倫政, 大橋 俊朗, 前田 英次郎
    北海道整形災害外科学会雑誌, 60, 1, 145, 146, 北海道整形災害外科学会, 2018年08月
    日本語
  • Enhanced gap junction intercellular communication inhibits catabolic and pro-inflammatory responses in tenocytes against heat stress               
    E. Maeda, S. Kimura, M. Yamada, M. Tashiro, T. Ohashi
    Journal of Cell Communication and Signaling, 11, 4, 369, 380, 2017年, [査読有り], [最終著者]
  • Temporal regulation of gap junctional communication between tenocytes subjected to static tensile strain with physiological and non-physiological amplitudes
    Eijiro Maeda, Haicheng Pian, Toshiro Ohashi
    BIOCHEMICAL AND BIOPHYSICAL RESEARCH COMMUNICATIONS, 482, 4, 1170, 1175, 2017年01月, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌)
  • Relative contribution of physiological hydrostatic pressure and fluid shear stress to endothelial monolayer integrity
    Toshiro Ohashi, Yoshiaki Sugaya, Naoya Sakamoto, Masaaki Sato
    Biomedical Engineering Letters, 6, 1, 31, 38, Springer Verlag, 2016年02月01日, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌)
  • Mechano-regulation of gap junction communications between tendon cells is dependent on the magnitude of tensile strain
    Eijiro Maeda, Toshiro Ohashi
    BIOCHEMICAL AND BIOPHYSICAL RESEARCH COMMUNICATIONS, 465, 2, 281, 286, 2015年09月, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌)
  • Three-dimensional imaging of biological cells with picosecond ultrasonics
    Sorasak Danworaphong, Motonobu Tomoda, Yuki Matsumoto, Osamu Matsuda, Toshiro Ohashi, Hiromu Watanabe, Masafumi Nagayama, Kazutoshi Gohara, Paul H. Otsuka, Oliver B. Wright
    APPLIED PHYSICS LETTERS, 106, 16, 2015年04月, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌)
  • FLIP実験による高温環境下腱細胞の細胞間拡散係数の計測
    大橋 俊朗, 田代 真啓, 前田 英次郎
    生体医工学, 53, S234_03, S234_03, 一般社団法人 日本生体医工学会, 2015年
    日本語, Core temperature of tendon is known to elevate to approximately 43°C under severe mechanical loading in horse as well as in human. This elevated temperature could be a potential etiology of tendinopathy; however, little is known about how hyperthermia affects tenocyte functions. Therefore, the present study hypothesized that such high temperature affects gap junction communication between tenocytes and upregulated tenocyte catabolism. Gap junction communication was evaluated using fluorescence loss in photobleaching (FLIP) protocol, with a mathematical model to estimate both intracellular and intercellular diffusion coefficients from FLIP result. It was exhibited that intercellular diffusion coefficient in tenocytes exposed to 43°C for 30 minutes was significantly larger than that in tenocytes exposed to 37°C. In addition, mRNA expression for catabolic markers, MMP-1 and IL-1β, was markedly upregulated but that for type I collagen was downregulated in 43°C treated group compared to 37°C treated group. Therefore, hyperthermia enhances gap junction communications and catabolic activities in tenocytes, suggesting that hyperthermia could be a trigger of inflammation response.
  • Development of fibrin gel-microgroove model for microvascularization by endothelial cells
    Shaoyi Chen, Akihiro Morita, Irza Sukmana, Eijiro Maeda, Toshiro Ohashi
    Journal of Biorheology, 29, 1, 19, 23, Japanese Society of Biorheology, 2015年, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌)
  • Significant increase in Young's modulus of ATDC5 cells during chondrogenic differentiation induced by PAMPS/PDMAAm double-network gel: Comparison with induction by insulin
    Eijiro Maeda, Takehiro Tsutsumi, Nobuto Kitamura, Takayuki Kurokawa, Jian Ping Gong, Kazunori Yasuda, Toshiro Ohashi
    JOURNAL OF BIOMECHANICS, 47, 13, 3408, 3414, 2014年10月, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌)
  • A microfluidic device towards shear stress analysis of clonal expanded endothelial cells
    E. Weibull, S. Matsui, H. Andersson-Svahn, T. Ohashi
    Journal of Biomechanical Science and Engineering, 9, 1, JBSE0006, JBSE0006, The Japan Society of Mechanical Engineers, 2014年, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌), The endothelial cells lining our cardiovascular system are constantly affected by shear stress, which can alter both the morphology and biological activity of the cells. Methods to study the basic shear stress response by creating stable flow profiles on the macro scale are well established, but they do not allow the generation of controlled high precision flow profiles. The emergence of microfluidic devices has enabled well-defined individual cellular response studies on endothelial cells in scale-relevant tools. However, so far, no shear stress studies on clonal heterogeneity have been published. We have developed a novel bioassay system to study several shear stress conditions in parallel on clonal expanded single cells. The device consists of a silicon/glass microwell slide with integrated polydimethylsiloxane microchannels, which delivers shear stress to cells in a well-controlled manner using micropumps. The flow behavior of the device was numerically characterized by computational fluid dynamics analysis, which confirmed that the desired fluid-imposed shear stress was obtained. Bovine aortic endothelial cells were cultured in the microwells for 24 hours and then subjected to a fluid shear stress of up to 2.0 Pa for 6 hours. The results showed that alignment and elongation of the endothelial cells along the flow direction were dependent on the level of shear stress applied. It was demonstrated that multiple experimental conditions can be examined simultaneously within a single device and the compartmentalized structure of the microwell slide can be used to ensure physical separation of cells in individual wells. Moreover, it was shown that the device could reduce consumption of expensive reagents and enable screening of rare samples.
  • Tenocyte anabolic and catabolic response to elevation in intracellular tension
    Eijiro Maeda, Megumi Sugimoto, Youtaro Kosato, Chi Tat Poon, Belinda Pingguan-Murphy, Toshiro Ohashi
    Journal of Biorheology, 28, 1, 16, 20, Japanese Society of Biorheology, 2014年, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌)
  • A new experimental system for simultaneous application of cyclic tensile strain and fluid shear stress to tenocytes in vitro
    Eijiro Maeda, Yasufumi Hagiwara, James H-C. Wang, Toshiro Ohashi
    BIOMEDICAL MICRODEVICES, 15, 6, 1067, 1075, 2013年12月, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌)
  • Biomechanics of the spinal cord and the pia mater
    Hiroshi Ozawa, Takeo Matsumoto, Toshiro Ohashi, Masaaki Sato
    Neuroprotection and Regeneration of the Spinal Cord, 61, 74, Springer Japan, 2013年11月01日, [査読有り]
    英語, 論文集(書籍)内論文
  • Microfluidic device for generating a stepwise concentration gradient on a microwell slide for cell analysis
    Emilie Weibull, Shunsuke Matsui, Manabu Sakai, Helene Andersson Svahn, Toshiro Ohashi
    Biomicrofluidics, 7, 6, 064115-1, 064115-12, 2013年11月01日, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌)
  • DNゲルによるATDC5細胞の軟骨分化誘導に関する力学的機序の解明 1細胞の力学的特性の変化とアクチン修飾タンパク質発現との関連
    前田 英次郎, 堤 健博, 黒川 孝幸, 北村 信人, Gong Jian Ping, 安田 和則, 大橋 俊朗
    日本整形外科学会雑誌, 87, 8, S1408, S1408, (公社)日本整形外科学会, 2013年08月
    日本語
  • Cytoskeletal tension modulates MMP-1 gene expression from tenocytes on micropillar substrates
    Eijiro Maeda, Megumi Sugimoto, Toshiro Ohashi
    JOURNAL OF BIOMECHANICS, 46, 5, 991, 997, 2013年03月, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌)
  • Evaluation of Rupture Properties of Thoracic Aortic Aneurysms in a Pressure-Imposed Test for Rupture Risk Estimation
    Shukei Sugita, Takeo Matsumoto, Toshiro Ohashi, Kiichiro Kumagai, Hiroji Akimoto, Koichi Tabayashi, Masaaki Sato
    Cardiovascular Engineering and Technology, 3, 1, 41, 51, 2012年03月, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌)
  • Development of a microfluidic concentration gradient generator on a microwell slide for high-throughput cell analysis               
    Emilie Weibull, Shunsuke Matsui, Helene Andersson-Svahn, Toshiro Ohashi
    Proceedings of the 16th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences, MicroTAS 2012, 1573, 1575, Chemical and Biological Microsystems Society, 2012年
    英語, 研究論文(国際会議プロシーディングス)
  • Endothelial cell responses to fluid shear stress: From methodology to applications
    Toshiro Ohashi, Masaaki Sato
    Single and Two-Phase Flows on Chemical and Biomedical Engineering, 579, 599, Bentham Science Publishers Ltd., 2012年, [査読有り]
    英語, 論文集(書籍)内論文
  • Preface
    Shinsuk Park, Kyehan Rhee, Toshiro Ohashi
    Journal of Biomechanical Science and Engineering, 7, 4, 335, 2012年, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌)
  • Micropillar-integrated device for monitoring dynamic regulation of traction forces during cell migration
    Eijiro Maeda, Akito Sugawara, Justin J. Cooper-White, Toshiro Ohashi
    2011 Int. Symp. on Micro-NanoMechatronics and Human Science, Symp. on "COE for Education and Research of Micro-Nano Mechatronics", Symposium on "Hyper Bio Assembler for 3D Cellular System Innovation", 16, 19, 2012年, [査読有り]
    英語, 研究論文(国際会議プロシーディングス)
  • SIMULTANEOUS MEASUREMENT OF MORPHOLOGY AND TRACTION FORCES OF ENDOTHELIAL CELLS UNDER FLUID SHEAR STRESS
    Toshiro Ohashi, Yusaku Niida, Ryoichi Tanaka, Masaaki Sato
    PROCEEDINGS OF THE ASME SUMMER BIOENGINEERING CONFERENCE, PTS A AND B, 245, 246, 2012年, [査読有り]
    英語, 研究論文(国際会議プロシーディングス)
  • 胸部大動脈瘤の拍動特性から破裂圧力が推定できるか?
    杉田修啓, 松本健郎, 大橋俊朗, 熊谷紀一郎, 秋元弘治, 田林 晄一, 佐藤 正明
    脈管学, 52, 277, 283, Japanese College of Angiology, 2012年, [査読有り]
    日本語, 研究論文(学術雑誌), 大動脈瘤破裂危険度の高信頼性予測を目指し,ヒト胸部大動脈瘤およびブタ胸大動脈の破裂試験を行った。円形枠にはめた板状試料を内腔側から加圧し突出量を計測した。両群とも加圧に伴い剛性(硬さ)が増加したが,大動脈瘤試料では低圧で組織が降伏し,剛性増加が低値で頭打ちになった。この降伏開始点の圧力は破裂圧力と有意に相関し,また1心周期中の径変化から予測できる可能性があるため,破裂予測の指標として有望である。
  • Analysis and techniques for controlling kinesin-driven microtubules in nanoscale transport systems               
    S. Sugita, N. Sakamoto, T. Ohashi, M. Sato
    Proceedings of the Tohoku University Global Centre of Excellence Programme, 144, 150, 2012年
    英語, 研究論文(国際会議プロシーディングス)
  • Combined stimulation with cyclic stretching and hypoxia increases production of matrix metalloproteinase-9 and cytokines by macrophages
    Koki Oya, Naoya Sakamoto, Toshiro Ohashi, Masaaki Sato
    BIOCHEMICAL AND BIOPHYSICAL RESEARCH COMMUNICATIONS, 412, 4, 678, 682, 2011年09月, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌)
  • Stretch along the craniocaudal axis improves shape recoverability of the spinal cord
    Hiroshi Ozawa, Takeo Matsumoto, Toshiro Ohashi, Masaaki Sato, Eiji Itoi
    JOURNAL OF BIOMECHANICS, 44, 12, 2313, 2315, 2011年08月, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌)
  • Modulation of traction forces of isolated tenocytes by substrate stiffness
    Megumi Sugimoto, Eijiro Maeda, Toshiro Ohashi
    ASME 2011 Summer Bioengineering Conference, SBC 2011, 875, 876, 2011年, [査読有り]
    英語, 研究論文(国際会議プロシーディングス)
  • Role of p120-catenin in the morphological changes of endothelial cells exposed to fluid shear stress
    Naoya Sakamoto, Kei Segawa, Makoto Kanzaki, Toshiro Ohashi, Masaaki Sato
    BIOCHEMICAL AND BIOPHYSICAL RESEARCH COMMUNICATIONS, 398, 3, 426, 432, 2010年07月, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌)
  • Effect of spatial gradient in fluid shear stress on morphological changes in endothelial cells in response to flow
    Naoya Sakamoto, Naoki Saito, Xiaobo Han, Toshiro Ohashi, Masaaki Sato
    BIOCHEMICAL AND BIOPHYSICAL RESEARCH COMMUNICATIONS, 395, 2, 264, 269, 2010年04月, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌)
  • Modification of the descending thoracic aortic anastomotic site using biodegradable felt: Study in a canine model with or without basic fibroblast growth factor
    Hidenori Fujiwara, Yoshikatsu Saiki, Mitsuru Sato, Naoya Sakamoto, Toshiro Ohashi, Masaaki Sato, Yasuhiko Tabata, Koichi Tabayashi
    JOURNAL OF VASCULAR SURGERY, 51, 1, 194, 202, 2010年01月, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌)
  • Size sorting of kinesin-driven microtubules with topographical grooves on a chip
    Shukei Sugita, Tatsuya Murase, Naoya Sakamoto, Toshiro Ohashi, Masaaki Sato
    LAB ON A CHIP, 10, 6, 755, 761, 2010年, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌)
  • T0201-2-1 繰り返し伸展刺激に対する筋繊維芽細胞の形態的応答([T0201-2]細胞の構造と流れにおけるマイクロ・ナノスケール解析(2))
    木幡 健吾, 前田 英次郎, 大橋 俊朗
    年次大会講演論文集, 2010, 143, 144, 一般社団法人日本機械学会, 2010年
    日本語, The present study hypothesized that initial geometrical shapes of cutaneous wound and the major axis of the wound to the direction of stretch could influence myofibroblast realignment observed in the maturation phase of healing process. Human dermal fibroblasts were differentiated into myofibroblasts with a treatment of TGF-β1. The cells were seeded onto a PDMS chamber either in a monolayer or in a colony of the following shapes: circle, and track fields both parallel and vertical to the stretch. Cyclic tensile stretch, with an amplitude of 20%, was provided at 1 Hz for 6 hours. Myofibroblasts seeded in the circle and the parallel track exhibited a similar response of realigning ±1:70° to the strain axis with uniformly distributed myofibroblasts in the whole area. By contrast, the cells seeded in the shape of vertical track demonstrated realignment to no specific direction. Findings supports our hypothesis, indicating that the shape and the orientation of wound influences healing processes through myofibroblasts realignment.
  • Preface
    Toshiro Ohashi, Helene Andersson-Svahn
    Journal of Biomechanical Science and Engineering, 5, 3, 185, 2010年, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌)
  • Effect of spatial gradient of shear stress on morphological responses of endothelial cells to flow               
    N. Sakamoto, N. Saito, T. Ohashi, M. Sato
    Proceedings of 13th International Symposium of Tohoku University Global COE programme, 64, 67, 2010年
    英語, 研究論文(国際会議プロシーディングス)
  • Biomechanical contribution of cytoskeletal structures to traction forces in cultured smooth muscle cells
    Toshiro Ohashi, Norifumi Kameda, Shouji Nakamura, Masaaki Sato
    Journal of Biomechanical Science and Engineering, 5, 3, 262, 271, 2010年, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌)
  • A microwell array device with integrated microfluidic components for enhanced single-cell analysis
    Sara Lindstrom, Kiichiroh Mori, Toshiro Ohashi, Helene Andersson-Svahn
    ELECTROPHORESIS, 30, 24, 4166, 4171, 2009年12月, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌)
  • Tagged cine magnetic resonance imaging with a finite element model can predict the severity of retrosternal adhesions prior to redo cardiac surgery
    Ichiro Yoshioka, Yoshikatsu Saiki, Azusa Ichinose, Kei Takase, Shoki Takahashi, Toshiro Ohashi, Masaaki Sato, Koichi Tabayashi
    JOURNAL OF THORACIC AND CARDIOVASCULAR SURGERY, 137, 4, 957, 962, 2009年04月, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌)
  • A versatile micro-mechanical tester for actin stress fibers isolated from cells
    Tsubasa S. Matsui, Shinji Deguchi, Naoya Sakamoto, Toshiro Ohashi, Masaaki Sato
    BIORHEOLOGY, 46, 5, 401, 415, 2009年, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌)
  • Novel bioassay system for single cells               
    Toshiro Ohashi, Kiichiroh Mori, Sara Lindström, Helene Andersson-Svahn
    Proceedings of Conference, MicroTAS 2009 - The 13th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences, 1171, 1173, Chemical and Biological Microsystems Society, 2009年
    英語, 研究論文(国際会議プロシーディングス)
  • Specificity of Traction Forces to Extracellular Matrix in Smooth Muscle Cells
    T. Ohashi, H. Ichihara, N. Sakamoto, M. Sato
    IFMBE Proceedings, 23, 2192, 2193, 2009年, [査読有り]
    英語, 研究論文(国際会議プロシーディングス)
  • Biaxial tensile properties of thoracic aortic aneurysm tissues
    Takeo Matsumoto, Tomohiro Fukui, Toshihiro Tanaka, Naoko Ikuta, Toshiro Ohashi, Kiichiro Kumagai, Hiroji Akimoto, Koichi Tabayashi, Masaaki Sato
    Journal of Biomechanical Science and Engineering, 4, 4, 518, 529, 2009年, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌)
  • High wall shear stress gradient suppress morphological responses of endothelial cells to fluid flow
    M. Sato, N. Saito, N. Sakamoto, T. Ohashi
    IFMBE Proceedings, 25, 4, 312, 313, 2009年, [査読有り]
    英語, 研究論文(国際会議プロシーディングス)
  • HIGH SHEAR STRESS INDUCES PRODUCTION OF MATRIX METALLOPROTEINASE IN ENDOTHELIAL CELLS
    Naoya Sakamoto, Toshiro Ohashi, Masaaki Sato
    PROCEEDINGS OF THE ASME SUMMER BIOENGINEERING CONFERENCE 2008, PTS A AND B, 61, 62, 2009年, [査読有り]
    英語, 研究論文(国際会議プロシーディングス)
  • DYNAMIC CONTROL OF SLIDING DIRECTIONS OF KINESIN-DRIVEN MICROTUBULES WITH ROTATING ELECTRIC FIELDS
    Shulkel Sugita, Naoya Sakamoto, Toshiro Ohashi, Masaaki Sato
    PROCEEDINGS OF THE ASME SUMMER BIOENGINEERING CONFERENCE 2008, PTS A AND B, 315, 316, 2009年, [査読有り]
    英語, 研究論文(国際会議プロシーディングス)
  • Novel image analysis for trajectory of microtubules gliding on kinesins with tip detection
    S. Sugita, N. Sakamoto, T. Ohashi, M. Sato
    Journal of Biomechanical Science and Engineering, 4, 3, 404, 414, 一般社団法人 日本機械学会, 2009年, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌), Control of the gliding directions of kinesin-driven microtubules (MTs) in vitro has good feasibility for the development of nano-scale transport systems. A requirement for the control of transporters in these systems includes detecting the positions of gliding MTs; however, no studies have reported on the monitoring of the positions of gliding MTs. Here, we suggest an algorithm to detect tip coordinates of gliding MTs by binarization, skeletonization, and filtration of fluorescent images of MTs. The algorithm was first applied to artificially drawn segments with given lengths (10-80 pixels), widths (1-10 pixels), and curvature radii (20-120 pixels) to verify the effect of the sizes of MTs on accuracy of tip coordinates extracted by the algorithm, and error was estimated by referring to the true coordinates. The estimated errors were as small as 2 pixels in the width and were not affected by the length and the curvature radius, indicating that our algorithm is useful to extract the tips of MTs. The algorithm was subsequently applied to images of gliding MTs. Since distances from the trajectories of the MTs to the centers of gravity of the MTs (3.7 ± 2.1 pixels) were significantly larger than those to the tips (1.9 ± 0.5 pixels), the use of the tips as representative points of gliding MTs was verified. A detection method using tips of MTs, as suggested in this study, may be a useful technique for monitoring each MT in nanoscale transport systems.
  • Characterization of motility properties of kinesin-driven microtubules towards nano-scale transporter: Focusing on length of microtubules and kinesin density
    S. Sugita, N. Sakamoto, T. Ohashi, M. Sato
    Journal of Biomechanical Science and Engineering, 3, 4, 510, 519, The Japan Society of Mechanical Engineers, 2008年12月, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌), Kinesins, biomolecular motors moving along microtubules (MTs) in cells, can potentially be utilized as nano-scale transport systems with an inverted gliding assay, in which the MTs glide on a kinesin-coated surface. Although the key requirements include controls of gliding direction and velocity of MTs, the details of motility properties of MTs have not been well known. In this study, we quantitatively measured angular and gliding velocities, particularly focusing on the effects of MT length and kinesin density. The gliding assay of MTs of up to 20 μm in length was performed on a substrate coated with the kinesin density of 7.5, 38, and 75 μg/ml that resulted in the kinesin spacing of 7.8, 4.2, and 3.1 μm, respectively. The angular velocity for MTs shorter than kinesin spacings significantly decreased with increasing their length, and that for MTs longer than kinesin spacings was not affected by their length. Moreover, the angular velocity was substantially higher at lower kinesin density. These results suggest that both the number of associated kinesins with MTs and the kinesin spacings may contribute to the gliding direction. In contrast, the gliding velocity was independent of the MT length, ranging from 0.3 to 0.5 μm/s with decreasing the kinesin density. This may potentially imply the existence of an underlying mechanism with respect to the number of kinesins per the unit length of MTs. Towards development of high throughput nano-scale transport systems, long MTs and low kinesin densities would be effective for high directionality and high velocity, respectively.
  • Remodeling of Endothelial Cell Nucleus Exposed to Three Different Mechanical Stimuli
    Toshiro Ohashi, Kazuhiko Hanamura, Daisaku Azuma, Naoya Sakamoto, Masaaki Sato
    Journal of Biomechanical Science and Engineering, 3, 2, 63, 74, 2008年, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌)
  • Regulation of cyclic longitudinal mechanical stretch on proliferation of human bone marrow mesenchymal stem cells
    Guanbin Song, Yang Ju, Hitoshi Soyama, Toshiro Ohashi, Masaaki Sato
    MCB Molecular and Cellular Biomechanics, 4, 4, 201, 210, 2007年12月, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌)
  • Experimental estimation of preexisting tension in single actin stress fiber of vascular cells
    S. Deguchi, T. Ohashi, M. Sato
    Biomechanics at Micro- and Nanoscale Levels, 60, 71, World Scientific Publishing Co., 2007年01月01日, [査読有り]
    英語, 論文集(書籍)内論文
  • Biomechanical role of intracellular structures in smooth muscle cells estimated by traction force measurements
    Toshiro Ohashi, Shouji Nakamura, Naoya Sakamoto, Masaaki Sato
    2007 INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON MICRO-NANO MECHATRONICS AND HUMAN SCIENCE, VOLS 1 AND 2, 400, +, 2007年, [査読有り]
    英語, 研究論文(国際会議プロシーディングス)
  • Editorial
    S. Deguchi, K. Maeda, T. Ohashi, M. Sato
    Journal of Biomechanics, 39, 7, 1362, 2006年, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌)
  • Mechanical properties of stress fiber in adherent vascular cells characterized by in vitro micromanipulation
    Shinji Deguchi, Toshiro Ohashi, Masaaki Sato
    FUTURE MEDICAL ENGINEERING BASED ON BIONANOTECHNOLOGY, PROCEEDINGS, 71, +, 2006年, [査読有り]
    英語, 研究論文(国際会議プロシーディングス)
  • Frequency of shear stress modulates morphology and integrin expression of vascular endothelial cells
    Kazushi Ito, Naoya Sakamoto, Toshiro Ohashi, Masaaki Sato
    FUTURE MEDICAL ENGINEERING BASED ON BIONANOTECHNOLOGY, PROCEEDINGS, 103, +, 2006年, [査読有り]
    英語, 研究論文(国際会議プロシーディングス)
  • Biomechanical approach to endothelial cell responses to fluid shear stress and hydrostatic pressure
    Toshiro Ohashi, Naoya Sakamoto, Masaaki Sato
    FUTURE MEDICAL ENGINEERING BASED ON BIONANOTECHNOLOGY, PROCEEDINGS, 23, +, 2006年, [査読有り]
    英語, 研究論文(国際会議プロシーディングス)
  • Hydrostatic pressure influences sub-cellular localization of beta-catenin of vascular endothelial cells
    Katherine Baria, Yoshiaki Sugaya, Naoya Sakamoto, Toshiro Ohashi, Masaaki Sato
    FUTURE MEDICAL ENGINEERING BASED ON BIONANOTECHNOLOGY, PROCEEDINGS, 61, +, 2006年, [査読有り]
    英語, 研究論文(国際会議プロシーディングス)
  • Effect of strain rate on tensile properties of stress fibers isolated from cultured smooth muscle cells
    Tsubasa Matsui, Shinji Deguchi, Toshiro Ohashi, Masaaki Sato
    FUTURE MEDICAL ENGINEERING BASED ON BIONANOTECHNOLOGY, PROCEEDINGS, 129, +, 2006年, [査読有り]
    英語, 研究論文(国際会議プロシーディングス)
  • Control of cell morphology and measurement of traction forces of smooth muscle cells using microfabricated substrates
    Toshiro Ohashi, Junichi Yamazaki, Norifumi Kameda, Masaaki Sato
    2006 IEEE INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON MICRO-NANOMECHATRONICS AND HUMAN SCIENCE, 140, +, 2006年, [査読有り]
    英語, 研究論文(国際会議プロシーディングス)
  • 吸収性素材フェルトの吻合部大動脈壁に及ぼす影響に関する研究
    藤原 英記, 小田 克彦, 齋木 佳克, 吉岡 一朗, 河津 聡, 佐藤 真一, 坂元 尚哉, 大橋 俊朗, 佐藤 正明, 田畑 泰彦, 田林 晄一
    The Japanese Journal of THORACIC AND CARDIOVASCULAR SURGERY, 53, Suppl.II, 395, 395, シュプリンガー・ジャパン(株), 2005年09月
    日本語
  • Mechanical properties and function of the spinal pia mater.
    Hiroshi Ozawa, Takeo Matsumoto, Toshiro Ohashi, Masaaki Sato, Shoichi Kokubun
    Journal of neurosurgery. Spine, 1, 1, 122, 7, 2004年07月, [国際誌]
    英語, 研究論文(学術雑誌), OBJECT: The pia mater has received little attention regarding its function in the deformation of the spinal cord under compression. In this study the mechanical properties and function of the spinal pia mater were investigated using three methods. METHODS: Spinal cord segments were excised from rabbits. The elastic modulus of the pia mater was measured by performing a tensile test using specimens with the pia mater intact and ones with the pia mater stripped off. The stiffness of the spinal cord was examined by performing a compression test with specimens containing an intact pia mater and ones with a pia mater that was incised at both sides. The cross-sectional area and circumference of the spinal cord were measured on axial views of magnetic resonance images in patients with cervical disc herniations before and after surgery. The pia mater had an elastic modulus of 2300 kPa, which was 460 times higher than that of spinal cord parenchyma. By covering the parenchyma, it tripled the overall elastic modulus of the spinal cord. The pia mater increased the stiffness of the spinal cord and enhanced its shape recovery after removal of the compression. The cross-sectional area of the spinal cord increased after surgery, whereas the circumference of the spinal cord changed little. CONCLUSIONS: The pia mater firmly covers the spinal cord and has a high elastic modulus; it therefore provides a constraint on the spinal cord surface. It prevents elongation of the circumference and produces a large strain energy that is responsible for shape restoration following decompression.
  • Finite element analysis of sheared endothelial cells using structural optimization method               
    S. Seo, T. Ohashi, T. Matsumoto, M. Sato
    Proceedings of The First International Symposium on Advanced Fluid Information, 143, 146, 2001年
    英語, 研究論文(国際会議プロシーディングス)
  • Surface topography measurement and intracellular stress analysis of cultured endothelial cells exposed to fluid shear stress
    T Ohashi, H Sugawara, T Matsumoto, M Sato
    JSME INTERNATIONAL JOURNAL SERIES C-MECHANICAL SYSTEMS MACHINE ELEMENTS AND MANUFACTURING, 43, 4, 780, 786, 2000年12月, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌)
  • An application of the pipette technique to the measurement of local mechanical properties of aortic walls               
    M. Sato, T. Matsumoto, T. Ohashi
    Proceedings of Toyota International Symposium on Human Life Support Biomechanics, 147, 154, 2000年
    英語, 研究論文(国際会議プロシーディングス)
  • Intramural distribution of elastic moduli in thoracic aortas and its relationship to histology: Comparison between porcine and bovine thoracic aortas
    T Ohashi, Y Kato, T Matsumoto, M Sato
    JSME INTERNATIONAL JOURNAL SERIES C-MECHANICAL SYSTEMS MACHINE ELEMENTS AND MANUFACTURING, 42, 3, 568, 573, 1999年09月, [査読有り]
    英語, 研究論文(学術雑誌)
  • Local elastic moduli of aortic walls measured by pipette aspiration technique               
    T. Ohashi, T. Matsumoto, T. Aoki, M. Sato
    Proceedings of 4th China-Japan-USA-Singapore Conference on Biomechanics, 115, 118, 1995年
    英語, 研究論文(国際会議プロシーディングス)

その他活動・業績

書籍等出版物

  • ナノメデイシンの基礎と最先端               
    株式会社オーム社, 2008年
  • MEME/NEMS工学大全               
    株式会社テクノシステム, 2008年
  • Future Medical Engineering Based on Bionanotechnology               
    Imperial College Press, 2007年
  • Future Medical Engineering Based on Bionanotechnology               
    Imperial College Press, 2007年
  • Human Biomechanics and Injury Prevention               
    Springer-Verlag, 2000年
  • Human Biomechanics and Injury Prevention               
    Springer-Verlag, 2000年
  • Data Book on Mechanical Properties of Living Cells, Tissues, and Organs               
    Springer-Verlag, 1996年
  • Data Book on Mechanical Properties of Living Cells, Tissues, and Organs               
    Springer-Verlag, 1996年

所属学協会

  • 日本機械学会バイオエンジニアリング部門国際委員会               
  • 第46回日本生体医工学会大会実行委員会               
  • ASME Journal of Biomechanical Engineering               
  • 日本機械学会東北支部第41期総会・講演会実行委員会               
  • The Second Japan-Switzerland Workshop on Biomechanics               
  • 日本機械学会論文集編集委員会               
  • 日本機械学会第14回バイオフロンティア講演会実行委員会               
  • 日本機械学会バイオエンジニアリング部門広報委員会               
  • 日本エム・イー学会東北支部(現:日本生体医工学会)               
  • 日本バイオレオロジー学会               
  • 日本機械学会第19回バイオエンジニアリング講演会実行委員会               
  • 日本エム・イー学会東北支部               
  • 日本機械学会バイオエンジニアリング部門               
  • 日本機械学会バイオエンジニアリング部門運営委員会               
  • 日本機械学会第13回バイオエンジニアリング講演会実行委員会               
  • 日本実験力学会               
  • 日本生体医工学会               
  • Japanese Society for Medical and Biological Engineering               
  • Acta Biomaterialia               
  • 第28回日本バイオレオロジー学会年会実行委員会               
  • 日本生体医工学会バイオメカニクス研究会               
  • 日本機械学会               
  • The Japan Society for Experimental Mechanics               
  • The 1st International Symposium on Future Medical Engineering based on Bio-nanotechnology               
  • Japanese Society of Biorheology               
  • Japan Society of Mechanical Engineers               

Works(作品等)

  • マトリックスデバイスによる細胞の力学伝達経路の解明               
    2006年 - 2007年
  • 最適な腰椎牽引療法を目指した有限要素法解析               
    2007年
  • 生体内微小循環動態評価に関する研究               
    2006年 - 2006年
  • Bio-MEMSによる細胞操作に関する研究               
    2006年
  • コラーゲン・トリペプチド(CTP)の軟骨細胞および血管内皮細胞に対する機能性評価               
    2004年
  • 最適なステント設計のための有限要素法解析               
    2003年 - 2003年
  • ラミン欠損核の力学特性に関する研究               
    2002年 - 2002年
  • Resiliometerを用いた皮膚力学特性の計測に関する有限要素法解析               
    2002年 - 2002年
  • ヒト繊維芽細胞の力学特性に関する研究               
    2000年 - 2000年
  • 軟骨細胞の力学応答機構に関する研究               
    1998年

共同研究・競争的資金等の研究課題

  • 細胞一次繊毛の形成制御とトンネルナノチューブへの細胞工学応用
    科学研究費助成事業
    2023年04月01日 - 2026年03月31日
    大橋 俊朗, 豊原 涼太
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 北海道大学, 23H03707
  • マイクロ力学操作技術を用いた内皮細胞メカノトランスダクション機構の解明
    科学研究費助成事業 国際共同研究加速基金(国際共同研究強化(B))
    2019年10月07日 - 2023年03月31日
    大橋 俊朗, 東藤 正浩, 山田 悟史
    細胞は周囲の力学環境に適応して自らの形態および機能を変化させることが知られている.これは細胞が力学刺激を感知・伝達し生化学的信号に変換しているためでありこの機構はメカノトランスダクションと呼ばれている.例えば,血管内皮細胞は血流に応答して血流方向に伸長・配向することから盛んに研究が行われてきたがメカノトランスダクション機構の全容は明らかではない.本申請課題の目的は,磁気ナノビーズ技術を高度に駆使して流れ刺激に対する内皮細胞の力学伝達経路の推定するものである.近年では,内皮細胞表面に突出する直径0.2ミクロン,長さ数ミクロン~十数ミクロン程度の線状のPrimary ciliumが力学刺激の感知に深く寄与していることが指摘されている.
    以上の背景の下,磁気ナノビーズ技術およびマイクロフルイディクス技術により内皮細胞に力学刺激を負荷する部位を空間的に制御し,内皮細胞の流れ負荷応答のメカニズムを新しい視点で探求するものである.研究代表者の大橋がこれまでに従事してきた流れ負荷内皮細胞実験技術,マイクロフルイディクス技術および海外共同研究者のProf. Ibarraより新たに導入する磁気ナノビーズ技術を高度に融合させ,海外共同研究者のProf. Longとともに流れ負荷刺激を模擬して磁気ナノビーズにより力学刺激部位を空間的に制御することにより,流れ負荷によるメカノトランスダクション機構を検討するものである.今年度は磁気ナノビーズを人工細胞内に導入し生細胞と共培養する実験系の確立に着手してきた.外部磁場を負荷することで人工細胞を駆動させることができるため細胞間力を任意に調整することが可能であり,細胞間の力学情報伝達経路を探求するものである.また,Primary ciliumの変形から力学特性を計測できる可能性が示唆されたため,Primary ciliumの力学特性計測という新しい研究展開も図った.
    日本学術振興会, 国際共同研究加速基金(国際共同研究強化(B)), 北海道大学, 19KK0276
  • 内皮細胞Primary ciliumの力学特性計測とメカノセンシング機構の解明
    科学研究費助成事業 基盤研究(B)
    2018年04月01日 - 2021年03月31日
    大橋 俊朗
    本申請課題では、細胞表面に存在する直径200nm程度、長さ数μm程度の微小な一次繊毛(Primary cilium)の力学特性を詳細に計測し、内皮細胞のメカノセンサとしての同定を試みることを目的とした。力学特性計測のためにマイクロ引張試験機を自作しPrimary ciliumのヤング率を詳細に計測することに成功した。また、単離一次繊毛に対して引張刺激によるカルシウム応答を観察した結果、一次繊毛内にカルシウム上昇が観察され、一次繊毛表面に存在するカルシウムチャネルがカルシウムを取り込んでいることが確認された。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 北海道大学, 18H03508
  • 非接触レーザー加振システムによる機械/生体システムの動特性評価および異常診断
    科学研究費助成事業 基盤研究(B)
    2016年04月01日 - 2019年03月31日
    梶原 逸朗, 大橋 俊朗
    本研究では,機械構造物におけるさまざまな損傷を検知する手法および技術を構築した.達成された成果として,パイプ構造物に開けられた穴を損傷とし,レーザー誘起プラズマによる音響加振および音響計測に基づく損傷検知システムを開発した.本システムでは,アクリルパイプを対象構造物とし,レーザー誘起プラズマによる音響加振,マイクロホンによる音響計測によって音圧の時刻歴応答を収集した.パイプ内部の音圧の時間変動に対して,連続ウェーブレット変換を適用し,損傷穴による反射波を抽出することで損傷位置の同定を行った.実験により,損傷の位置が高精度で同定できることを確認し,本手法の有効性を検証した.
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 北海道大学, 16H04286
  • マイクロピラーを実装した革新的細胞遊走性評価デバイスの開発
    科学研究費補助金(挑戦的萌芽研究)
    2013年 - 2015年
    大橋 俊朗
    細胞遊走は損傷治癒部位への血管新生や癌の転移など様々な疾患の発達やその治癒に関わる非常に重要なプロセスでもあることからその運動メカニズムを力学的に解明することは極めて重要である.本研究課題では,細胞遊走時における細胞の力学的挙動の解析が可能な革新的マイクロチャネルデバイスを開発することを目的とする.研究期間内に,マイクロピラーを実装したマイクロチャネルデバイスを開発し,マイクロピラーの剛性を変化させたり,マイクロピラーの剛性に異方性を持たせることで細胞の遊走速度を変化させることができた.このように局所力学環境を正確に制御し,より詳細に細胞遊走と力学環境の関係を検討することができた.
    文部科学省, 挑戦的萌芽研究, 北海道大学, 研究代表者, 競争的資金, 25560187
  • 多機能ゲルが誘導する軟骨自然再生における間葉系細胞内情報伝達機構の解明
    科学研究費助成事業 基盤研究(A)
    2011年04月01日 - 2014年03月31日
    安田 和則, 近江谷 克裕, 大橋 俊朗, 黒川 孝幸, 北村 信人, 田中 伸哉, 仙葉 愼吾
    本研究は以下の発見・解明を行った。①間葉系細胞の軟骨に分化・再生過程においては、解糖系とミトコンドリア呼吸の振動に依存するATP振動がカルシウムイオン振動に誘導されて発生し、分泌の調節を介して軟骨凝集・組織再生を制御する。②DN ゲルが誘導する軟骨分化時にはActin構造の改変による細胞弾性率の上昇が、Insulinと比べて有意に早期に起こる。③DN ゲル誘導軟骨分化時の細胞内情報伝達機構に関して、BMP/TGF-βシグナル経路が特異的に活性化されており、またInsulin非依存的にIGF依存性シグナル伝達経路が活性化されている。④このゲルは液性因子のリザーバー機能を有する。
    日本学術振興会, 基盤研究(A), 北海道大学, 23240070
  • ハイスループット細胞培養実験のためのマイクロウェル基盤MEMSデバイスの開発
    科学研究費補助金(基盤研究(B), 基盤研究(B))
    2012年 - 2014年
    大橋 俊朗
    本研究課題では,細胞物理環境計測・制御がマイクロメートルスケールの空間で実現できるMEMSデバイスを開発した.具体的には,細胞力学応答実験,細胞薬剤感度試験,細胞遊走性実験が可能なMEMSデバイスである.細胞流れ負荷実験デバイスにおいては,異なる流れせん断応力を血管内皮細胞に負荷することにより細胞流れ負荷実験が可能であること,細胞薬剤感度実験デバイスにおいては異なる濃度のサポニンを内皮細胞に投与することにより薬剤濃度に対する感度実験が可能であること,細胞遊走実験デバイスにおいては繊維芽細胞の遊走時の牽引力ダイナミクスを計測することにより細胞遊走のメカニズムを力学的に検討できることを確認した.
    文部科学省, 基盤研究(B), 基盤研究(B), 北海道大学, 研究代表者, 競争的資金, 24300157
  • 細胞接着制御機能を実装した革新的バイオチップの開発
    科学研究費補助金(挑戦的萌芽研究, 挑戦的萌芽研究)
    2010年 - 2012年
    大橋 俊朗, 前田 英次郎
    近年,がん細胞などの細胞診断技術において,高効率・高機能バイオチップの開発が盛んに行われている.ここで求められる基盤技術の中で細胞を任意の場所に配置できること(ポジショニング),新しい細胞に入れ替えること(リプレイスメント)が簡便にできることは重要な技術である.そこで,本研究課題では細胞のポジショニングおよびリプレイスメントが簡便に行える革新的な細胞培養チップを開発することを目的とする.細胞を接着させるための磁気マイクロビーズを空間的にマイクロスケールで予め配置して細胞のポジショニングを行うというものである.基質側には磁気マイクロビーズが収まる直径2um程度の円形の孔(凹型部)が形成されている.磁気マイクロピーズは基質側に配置した永久磁石により一時的に補足されているのみで離脱可能なため細胞のリプレイスメントも容易に実現できる.昨年度は磁気マイクロビーズの凹型部における補足率は30%程度と低い結果であった.そこで本年度は,凹型部の直径をやや広げ,微小流路による磁気マイクロビーズの導入において流速,流れの方向を試行錯誤的に変更し,その結果,最適な条件を見出すことができた.現在,導入効率は80%まで上昇している.また,細胞接着性実験に着手し,細胞外マトリクスでコーティングした磁気マイクロビーズの上に選択的に細胞が接着している様子が観察された.さらに,永久磁石を取り外すことで磁気マイ...
    文部科学省, 挑戦的萌芽研究, 挑戦的萌芽研究, 北海道大学, 研究代表者, 競争的資金, 22650097
  • 細胞の力覚機構の解明
    科学研究費助成事業 特別推進研究
    2008年 - 2012年
    佐藤 正明, 大橋 俊朗, 神崎 展, 出口 真次, 坂元 尚哉, 安達 泰治, 小椋 利彦, 大橋 一正, 安達 泰治
    我々の身体には多くの力を感じる細胞があり、組織や器官が力に応じて機能を発揮するよう制御されているが、その機構は不明であった。本研究では、血管壁、骨、骨格筋の細胞を主たる対象にした。その結果、細胞が接着している部位や細胞の形を決める役目をしている細胞骨格などがセンサの働きをして、シグナルの機能を果たしているタンパク質も分かった。また、生体の発生過程の器官形成において力が重要な役割を果たしていることが明らかとなってきた。
    日本学術振興会, 特別推進研究, 東北大学, 20001007
  • 高機能単一細胞診断を目指したマイクロウェル実装バイオアッセイシステムの開発
    科学研究費補助金(基盤研究(B))
    2008年 - 2010年
    大橋 俊朗, 佐藤 正明, 坂元 尚哉, 前田 英次郎, 佐藤 正明, 坂元 尚哉
    従来,がん細胞の細胞診断において薬剤感度試験を行う場合,細胞の表面抗原を蛍光標識抗体によりイメージングするなど多くの細胞診断法が開発され臨床に応用されてきた.しかしながら装置が高価であることや成功率が低いこと,操作が煩雑であること等の理由から,低価格・高精度かつ簡便に評価が可能な新しい細胞診断デバイスの開発が求められている.本研究課題では,単一細胞に対して高精度・高効率な細胞診断が可能な新しいバイオアッセイシステムを開発した.
    文部科学省, 基盤研究(B), 東北大学->北海道大学->東北大学->北海道大学, 研究代表者, 競争的資金, 20300149
  • 磁気駆動マイクロピラーによる細胞外局所力学環境のアクティブ操作
    科学研究費補助金(特定領域研究)
    2008年 - 2008年
    大橋 俊朗, 佐藤 正明, 坂元 尚哉
    生体内において細胞は力学環境に曝されている. 例えば, 血管内皮細胞や平滑筋細胞には血流によるせん断応力や血管拡張に伴う伸展刺激が作用している. 細胞はこのような周囲の力学環境に適応して自らの形態および物質産生等の機能を変化させることが知られている. これは細胞が力学刺激を感知・伝達し生化学的信号に変換しているためであり力学情報伝達(mechanotransduction)と呼ばれている. 申請者らはこれまでに, 力学情報伝達の経路の一つに細胞骨格が深く関与していると考え力学刺激に対する内皮細胞や平滑筋細胞の骨格構造変化を観察してきた. このような中, 申請者らはマイクロピラーを有する基質の上に平滑筋細胞を培養し, マイクロピラーの撓み細胞牽引力を計測することで細胞内の力学情報伝達経路を探る研究に本格的に着手した. 例えば, ガラスのマイクロニードルで細胞辺縁部の特定のマイクロピラーを撓ませると, ストレスファイバーによって接続されていた他端のマイクロピラーが撓むことから細胞骨格を介した力学伝達が実現されていることを確認した. 研究を遂行していく中で, この技術を応用し任意のマイクロピラーを能動的に動かすことができれば特定の焦点接着斑にのみ選択的に力学刺激を負荷できるのではないかと考えた. そこで本研究課題では, 従来の研究をさらに発展させ, 磁性ビーズを埋入したマイクロピラ...
    文部科学省, 特定領域研究, 東北大学, 研究代表者, 競争的資金, 20034007
  • 細胞内シグナル伝達の動的制御による細胞マイクロマシンの創出
    科学研究費助成事業 萌芽研究
    2007年 - 2008年
    佐藤 正明, 大橋 俊朗, 坂元 尚哉
    本研究の目的は,分子スイッチをコートした磁気ビーズを細胞内に導入し,これを外部から磁場を印可することによって任意に操作し,細胞の仮足形成を任意に操作し,細胞運動を制御するところにあった。研究第一段階として,細胞内での磁気ビーズ操作に必要な磁気ピンセット装置の開発を行った。より自由度の高い操作を実現する為,電磁石駆動型の装置を開発し,電源のON/OFFによって磁場のコントロールが可能な系とした。また,持続的な操作を可能とするため,電磁コイルの冷却装置を実装した。第二段階として,細胞内に食作用によって導入した磁気ビーズを,実際に細胞内で空間的に操作することを試みた。細胞内に導入された複数個の磁気ビーズを任意の位置(細胞辺縁部)へと集積させることに成功した。また,共焦点レーザー顕微鏡を用いたリアルタイム三次元観察によって,ビーズ操作が細胞膜内で行われていることも確認された。次に,分子スイッチをコートしか磁気ビーズを作製し,細胞内への導入を試みた。当初は細胞のエンドサイトーシス作用などを用いる予定であったが,この手法では磁気ビーズが細胞内でエンドソームなどのリン脂質に包まれた状態となってしまう為,分子スイッチが機能しなかった。そこで,物理的外力によって細胞内に微粒子を撃ち込むパーティクルガン装置によって磁気ビーズの導入を試みた。磁気ビーズを本手法によって導入すること自体には成功したものの,本来,当該装置は植物細胞に金やタングステンなどの比重の大きい微粒子を撃ち込む装置であり,本研究では動物細胞および比重の軽い磁気ビーズを用いることから,実験条件が大きく異なるため,これまでのところ細胞に与えるダメージを十分低減させて導入するまでには至っておらず,導入条件を検討中である。
    日本学術振興会, 萌芽研究, 東北大学, 19650111
  • マイクロポストを用いた細胞の形態制御と力学伝達経路の解明
    科学研究費補助金(萌芽研究)
    2006年 - 2008年
    大橋 俊朗, 佐藤 正明, 坂元 尚哉
    細胞の力学情報伝達は細胞の生理・病理に深く関わることからそのメカニズムを知ることは重要であるが, 力学刺激が実際に細胞内でどのように伝達されているか, またそれによって機能がどのように修飾を受けるのかに関しては未知の部分が多い. 本研究では, 微細加工技術により細胞底面に発生する力を計測できる実験系を構築し, 基質形状により細胞の形態を制御すること, さらに力学刺激が細胞骨格を伝達する経路を求めることを目的とする. 微細加工技術を用いて細胞を培養するマトリックス上にPDMSによるマイクロピラーアレイ(高さ10μm, 直径3μm, ピラー間ピッチ8μm)を形成し, マイクロピラーのたわみから細胞底面で発生する牽引力を計測するものである. 本年度においては, 前年度に引き続き細胞形態制御実験, マイクロピペットによる力学環境操作実験, 細胞骨格の破壊実験を行い, データの蓄積を試みた. 細胞形態制御実験では, ピラー間ピッチを6, 8, 10μmと変化させ, 細胞はピラー間ピッチに依存して牽引力を変化させることを示した. マイクロピペットによる力学環境操作実験ではより精度良くマイクロピラーによる局所力学刺激負荷を行うため磁気駆動式マイクロピラーの製作にとりかかっているところである. 細胞骨格の破壊実験では, アクチンフィラメント, 微小管, 中間径フィラメントそれぞれの破壊により...
    文部科学省, 萌芽研究, 東北大学, 研究代表者, 競争的資金, 18650119
  • マトリックスデバイスによる細胞骨格の力学バランス計測と細胞機能制御
    科学研究費補助金(特定領域研究)
    2006年 - 2007年
    大橋 俊朗, 佐藤 正明, 坂元 尚哉
    細胞の力学情報伝達は細胞・組織の生理・病理に深く関わることからそのメカニズムを知ることは非常に重要であるが,力学刺激が実際に細胞内でどのように伝達されているか,またそれによって機能がどのように修飾を受けるのかに関しては未知の部分が多い.本研究では,マイクロマシニング技術により細胞底面に発生する力を直接計測できる実験系を構築し,力学刺激が細胞骨格を伝達する経路およびその大きさを定量的に求めること,さらにこの実験系により機能制御の実現可能性を探ることを目的とする.微細加工技術を用いて細胞を培養するマトリックス(細胞外基質)上にPDMSによるマイクロピラーアレイ(高さ10μm,直径3μm,マイクロピラー間ピッチ8μm)を形成し,マイクロピラーのたわみから細胞底面で発生する牽引力を計測するものである.本年度において,先端径が2〜3μm程度のガラスのマイクロピペットをマイクロマニピュレータで操作し,特定のマイクロピラーを強制的にたわませる実験を行った.その結果,たわませたマイクロピラーに接続しているストレスファイバの他端のマイクロピラーが連動してたわむ様子が観察された.すなわち,ストレスファイバを通して一つの焦点接着斑からもう一つの焦点接着斑に力学刺激が伝達されていることが明らかとなった.また,ノコダゾール処理により微小管を破壊したところ牽引力は有意に増大した.一方,微小管破壊によりス...
    文部科学省, 特定領域研究, 東北大学, 研究代表者, 競争的資金, 18048005
  • 力学的刺激に対する血管内皮細胞の応答機構に果たす細胞骨格の役割
    科学研究費助成事業 基盤研究(A)
    2005年 - 2007年
    佐藤 正明, 大橋 俊朗, 出口 真次, 坂元 尚哉
    1. 単離ストレスファイバの力学特性
    単離したストレスファイバの力学試験装置を開発し力学特性を調べた.本装置は,顕微鏡ステージ上で2つの対向するマイクロニードルによりストレスファイバの両端を把持して引張り試験を行うものである.ストレスファイバは非線形な変形特性を有し非常に高い伸展性を示すことが明らかになった.細胞内におけるひずみ状態(平均値で平滑筋細胞0.21,内皮細胞0.24)を考慮すると細胞内においてストレスファイバに負荷されている初期張力は平滑筋細胞で平均値で10.0nN,内皮細胞で4.1nNであることが示された.
    2. マイクロポスト基質を用いた細胞の牽引力とストレスファイバ収縮力の計測
    微細加工技術を用いてマイクロポストの列を作製した。マイクロポストの高さは10μm、直径3μm、中心間距離8μmとした。この上で細胞を培養し細胞の収縮に伴う牽引力をマイクロポストのたわみから求めた。その結果、ストレスファイバによる細胞の牽引力は、約12nNであることが明らかとなった
    3. マイクロポストを有する基質を用いた伸展刺激負荷
    細胞内に局所的なひずみを負荷するために,微細加工技術を用いてマイクロポストを有するPDMS膜を作製した.この基質上では焦点接着斑の間のみに選択的に伸展を負荷することができる.このマイクロポスト膜上に内皮細胞を播種し,繰り返し伸展刺激を6時間まで負荷した.平面膜基質上の内皮細胞に比べ,マイクロポスト膜上の内皮細胞ではストレスファイバの再構築速度が遅くなった.また細胞はマイクロポスト間をつなぐように伸展方向に対して直交する方向にストレスファイバを発達させた.これらの結果から細胞は細胞内局所ひずみを感知することが明らかになった.
    日本学術振興会, 基盤研究(A), 東北大学, 17200030
  • 細胞内マルチイメージングを用いた力学応答シグナル伝達機構の解明
    科学研究費補助金(若手研究(A))
    2005年 - 2007年
    大橋 俊朗
    細胞の力学情報伝達機構を知ることは細胞の生理・病理を知る上で非常に重要である.力学刺激が実際に細胞内でどのように伝達されているかに関してはその計測の困難さからほとんど解明されていない.本研究では細胞内で力学刺激が伝達していく過程を明らかにするため,ピペット吸引法とFRAP技術を組み合わせて力学刺激に対する細胞骨格構造の変化を蛍光画像として追跡し画像解析により細胞内の力学環境を定量的に把握することを目的とする.またセカンドメッセンジャーの一つであるカルシウムイオン濃度の変化を同時にイメージングすることにより骨格構造変化との相関関係を調べる.本年度においては,FRAP技術を用いてピペット吸引時の軟骨細胞におけるアクチン分子の拡散の様子を詳細に調べた.その結果,ピペット先端において吸引直後はアクチンコーティカルレイヤーが分解され,その後,アクチンの再重合が促進されていることがわかった.また,このプロセスはカルシウム依存でありカルシウムが存在しない場合には,アクチンの脱重合が引き起こされにくいことが示唆された.さらに,ピペット吸引時において力学刺激が細胞内をどのように伝達していくのかを観察するために,ミトコンドリアの染色画像より画像相関法を用いて細胞内ひずみ分布を得た.その結果,吸引直後は細胞周囲のアクチンコーティカルレイヤーを介して細胞全体に力学刺激が伝達される様子が明らかとなった...
    文部科学省, 若手研究(A), 東北大学, 研究代表者, 競争的資金, 17680036
  • マイクロ・ナノバイオメカニクスの開拓
    科学研究費助成事業 特定領域研究
    2003年 - 2007年
    和田 仁, 安達 泰治, 松本 健郎, 牛田 多加志, 田中 正夫, 大橋 俊朗, 濱西 伸治
    本研究では平成15年度から18年度まで実施した特定領域研究「マイクロ・ナノバイオメカニクスの開拓」の成果を学術図書として取りまとめた.本特定領域研究の目的を以下に記す.生命現象の本質的な多様性は,遺伝子のみではなく,細胞をめぐるマイクロあるいはナノスケールの構造と遺伝情報との相互作用によって担われており,その中でも,力学的相互作用の意義は極めて大きい.従って,力学的環境と生命機能の関係を解明することができれば,細胞及び組織の構造と機能をコントロールする手段を見いだせる可能性が高い.また,これを用いることによって,必要な構造と機能をもつ細胞と組織を創成することが可能となる.そこで,力学を基礎とし,マイクロ領域である細胞レベル及びナノ領域である生体高分子や細胞内小器官レベルの力学現象を解明し,これに基づいて人工材料の新たな設計指針の開発と創製を行うと共に,生命体の機能と構造を創成ないし再構成する技術を開発してきた.日本の生体工学・バイオメカニクス研究を牽引する研究者を各計画研究の代表者として集め,バイオメカニクス的視点を強く打ち出し,細胞や生体組織の再構築との関連性ならびに基礎科学から臨床応用までの広い視点をもった研究を展開し,世界一級の成果を上げて来たので,これら成果を取りまとめた.具体的には以下を行った.
    1. 第10回全体会議(平成19年10月,東京)ならびに第11回全体会議,(平成20年1月,東京)を開催し,研究グループの研究成果に関する情報交換を行った.
    2. 本領域の4つの班毎に,研究成果を取りまとめた.
    3. 4班の成果を統合し,全体にわたった構成を4班の代表者4名により取りまとめた.
    4. 出版社との打ち合わせを行い,全体の原稿を完成した.
    5. 印刷原稿の校正を各研究代表者が行った.
    6. 印刷製本を業者に委託し,学術図書を完成させ,研究成果を広く公開した.
    日本学術振興会, 特定領域研究, 東北大学, 15086101
  • 細胞内ストレスファイバの力学特性計測と変形機構の解明
    科学研究費助成事業 萌芽研究
    2005年 - 2006年
    佐藤 正明, 大橋 俊朗, 出口 真次, 坂元 尚哉
    細胞の形態変化と機能を理解する上で,主要な構成要素であるストレスファイバの力学環境に対する応答性,すなわち力学特性を把握しておくことは大変重要である.最終年度である本年度は,前年度に開発・確立した装置およびストレスファイバ単離手法を用いて以下の2つの研究を行った.
    1.ストレスファイバの粘弾性特性の計測
    前年度確立した単離方法に従って平滑筋細胞から単離したストレスファイバの引張試験を行い,ひずみ速度が引張特性に与える影響を調べた.ひずみ速度を0.01s^<-1>,0.05s^<-1>,0.1s^<-1>と設定しストレスファイバの引張特性計測を行ったところ,0.01s^<-1>と0.05s^<-1>における張力ーひずみ関係はほぼ線形で両者に顕著な差は見られなかった.一方,生理的なひずみ速度と考えられる0.1s^<-1>では上に凸の非線形な関係が得られた.またストレスファイバの変形初期の強度を示す初期スティフネスに関しても0.1s^<-1>では0.01s^<-1>および0.05s^<-1>に比べ大きくなる傾向が得られた.これらの結果から,ストレフファイバの引張特性にはひずみ速度依存性の閾値が存在する可能性が考えられた.
    2.ストレスファイバの局所ひずみ計測
    量子ドットを用いてストレスファイバを斑点状に可視化し,これをマーカーとして伸展時におけるストレフファイバ内の局所挙動を観察した.その結果,ストレフファイバは一様に伸展しているのではなくその挙動は局所で異なり,部位によって収縮を示す場合があることが明らかになった.
    日本学術振興会, 萌芽研究, 東北大学, 17650125
  • ナノ領域イメージングを用いた血管内皮細胞の焦点接着斑の力学応答ダイナミクス
    科学研究費助成事業 特定領域研究
    2003年 - 2006年
    佐藤 正明, 大橋 俊朗, 出口 真次, 坂元 尚哉
    本研究では,力学刺激を受けた細胞が形態変化を起こす過程を明らかにするため,焦点接着斑会合タンパク質FAKの一部であるFAT domainと焦点接着斑に連結しているアクチンフィラメントに注目し,力学刺激時の両者の動きを観察,解析しその役割を明らかにすることが目的である.特に,本研究で導入する新しいテクニックは,流れ刺激を負荷しながらFAT domainおよびアクチンフィラメントの動的挙動を直接観察する方法や表面形状を工夫した伸展膜を用いた伸展刺激負荷方法を開発することにある.まず, RFP-FAT domainおよびGFP-アクチンのベクターを用いて流れ刺激に対する細胞の形態変化を経時的に観察する実験系を確立した.ウシ大動脈由来内皮細胞を用いて実験を行った結果, FAT domainの消失,出現と密接に関連しながらアクチンフィラメントは再配列する様子が観察された.次に,微細加工を用いてマイクロピラーを有するPDMS膜を作製し,焦点接着斑の間のみに局所的に伸展刺激を負荷する方法を開発した.本法により,内皮細胞はマイクロピラー上面の周辺部に焦点接着斑を形成し,伸展方向に対して直交する方向にアクチンフィラメントの太い束であるストレスファイバを発達させることが明らかとなった.さらに,細胞内の力学情報伝達を考える上で重要なストレスファイバの力学特性を計測するためにマイクロ引張試験装置を開発した.内皮細胞から化学的処理により単離したストレスファイバに対して初めて引張試験を行い荷重-変位関係を得た.ストレスファイバの荷重-変位関係は非線形であり大きな伸展性を有することが明らかとなった.本研究により,細胞の力学応答機構における焦点接着斑と細胞骨格の果たす役割について重要な知見を得ることができた.
    日本学術振興会, 特定領域研究, 東北大学, 15086203
  • ナノマシン加工技術による内皮細胞焦点接触力の計測デバイスの開発
    科学研究費助成事業 萌芽研究
    2003年 - 2004年
    佐藤 正明, 坂元 尚哉, 大橋 俊朗
    細胞は細胞外基質と焦点接着斑と呼ばれるタンパク質の塊状部位によって接触を実現し形態を維持していると考えられている。従って力学的刺激あるいは化学的刺激に対する細胞の応答を知る上で焦点接触力を計測することは重要である。本研究では,シリコンの微細加工技術を用いて微小なセンサを開発し細胞の焦点接触力を測定することを目的とする。最終年度である今年度は,初年度に目指していたピエゾ抵抗型センサ方式を変更し,マイクロポストのたわみから接触力(牽引力)を推定する方式を検討した。まず,アレイ状マイクロポストのデザインを起こしレチクルを製作した。次にシリコンウェハにレチクルのデザインを露光転写した。ウェハをエッチングしレジストを剥離して型を製作した。続いて型にシリコーンポリマーを流し込みカバーガラスを載せた後,加温硬化させた。硬化後,型からカバーガラスごとシリコーンポリマーをはがし細胞外基質を完成させた。マイクロポストのサイズはおよそ直径3μm,高さ10μm,中心間距離8μmである。試料として,当初の予定であった内皮細胞よりも骨格構造により特徴のある平滑筋細胞を用いた。製作した基質上に平滑筋細胞を培養しマイクロポストのたわみを画像処理によって求めた。焦点接着斑の位置を確認し,かつアクチンフィラメントとの関係を把握するために,RFP-FATとGFP-アクチンのベクターを細胞に導入した。その結果,推定された平滑筋細胞の牽引力は11.8nNであり,最大値は81.3nNであった。また,それストレスファイバの分布から推測される力の合成ベクトルと牽引力のベクトルの方向は明らかに一致していた。このことからストレスファイバの発達は細胞の牽引力に支配的であることが考えられた。以上のように,本研究ではマイクロポストを有する細胞外基質デバイスを製作し,細胞底面に発生するミクロな力学環境を解明することに成功した。
    日本学術振興会, 萌芽研究, 東北大学, 15650085
  • 血流動態を考慮した細胞共存型血管モデルによる動脈硬化症発生メカニズムの解明
    科学研究費補助金(基盤研究(B))
    2003年 - 2004年
    大橋 俊朗, 坂元 尚哉, 坂元 尚哉, 佐藤 正明
    内皮細胞と平滑筋細胞を共存培養した血管モデルを用いて,内皮細胞表面に流れを負荷した場合の内皮細胞の機能変化,平滑筋細胞の遊走性を調べることにより動脈硬化症発生メカニズム解明を目的とした研究を行い,以下の成果を得た.1.平滑筋細胞のみのモデルに比べ,共存培養血管モデルの平滑筋細胞遊走性は約1.8倍増加した.しかしせん断応力負荷により共存培養モデルの平滑筋細胞遊走性は有意に抑制された.また内皮細胞のNO合成を阻害した場合にはせん断応力によって平滑筋細胞遊走性は抑制されなかった.このことから静置培養環境下では内皮細胞によって平滑筋細胞の遊走性は促進され,せん断環境下では産生が増加した内細胞由来NOが平滑筋細胞の遊走性を抑制していることが明らかになった.2.静置培養環境下において,内皮細胞のみで構築した単体培養モデルと共存培養モデルの物質透過性には差が見られなかった.せん断応力を負荷することにより共存培養モデルの物質透過性は有意に減少した.内皮細胞単体培養モデルの物質透過性に対するせん断応力の影響は観察されなかった.平滑筋細胞は内皮細胞の物質透過性に重要な役割を持つことが考えられた.3.静置培養環境下において,血管モデルの内皮細胞に接着した白血球数は内皮細胞単体モデルに比べ約1.8倍であった.せん断応力を負荷することで血管モデルに接着した白血球数は減少し,内皮細胞単体モデルと差が見ら...
    文部科学省, 基盤研究(B), 東北大学, 研究代表者, 競争的資金, 15300153
  • 血管内皮細胞の力学的応答機構に果たすインテグリンの役割
    科学研究費助成事業
    2002年 - 2004年
    佐藤 正明, 羽根 一博, 松本 健郎, 大橋 俊朗, 坂元 尚哉, 出口 真次
    本研究では,力学的刺激を受けた血管内皮細胞が形態変化を起こす過程を明らかにするため,アクチンフィラメントと細胞膜上で連結しているタンパク質であるインテグリンに注目し,新しいテクニックを導入することによって力学的刺激時のアクチンフィラメントやインテグリンの動きを観察,解析し,その役割を明らかにすることを目的とした.力学的刺激としては,流れによるせん断応力,基底膜の伸縮に伴う張力,静水圧を負荷し,下記の結論を得た.
    1.張力負荷刺激による細胞骨格の応答解析
    シリコーンゴム内に不均質なひずみ場が形成される薄膜を新たに作製して内皮細胞を播種し,細胞の応答を解析した.その結果,アクチンフィラメントの発達や核の位置が細胞内のひずみに依存している事が確認され,細胞自体がひずみを検知して細胞内で力学的バランスをとるように形態変化を起こしている可能性が示唆された.
    2.流れ負荷刺激時の細胞骨格およびインテグリンの応答解析
    内皮細胞に遺伝子ベクターを導入してせん断応力を与え,アクチンフィラメントとインテグリンの挙動について詳細な解析を行った.その結果,アクチンフィラメントに作用する力に反応してアクチンのダイナミックな変化が起こっていることが示唆された.続いて,葉状仮足の形成がみられ,アクチンフィラメントの形成にとって重要な働きをするインテグリンの移動と配置がマイクロチューブルを通して行われている可能性があることが明らかとなった.
    3.静水圧負荷による細胞骨格およびカドヘリンの応答解析
    内皮細胞は静水圧に対して敏感に応答し,細胞の重層化,アクチンフィラメントの特異な発達などが観察されている.そこで,細胞同士の接着に関与するタンパク質であるカドヘリンの形成に焦点を当てて検討した結果,カドヘリンの発現に静水圧が関与していることが明らかとなった.
    日本学術振興会, 基盤研究(A), 東北大学, 14208100
  • 機能性材料のモデルとしての血管平滑筋細胞の力学特性計測に関する研究
    科学研究費助成事業
    2001年 - 2003年
    松本 健郎, 長山 和亮, 大橋 俊朗, 佐藤 正明
    血管平滑筋細胞は収縮・弛緩により血管径を変化させるほか,コラーゲンなど細胞外基質を産生して壁を能動的に作り変えている.その収縮特性や物質産生は加えられる力学刺激に応じて変化し,例えば能動収縮を繰返すと収縮速度が上昇し,収縮状態で放置すると消費エネルギが減少するなど,アクチュエータとしても興味深い特徴を有する.そこで本研究では胸大動脈平滑筋細胞の力学特性,収縮特性を単一細胞レベルで詳細に調べ,力学的刺激との関連を明らかにすることを目的として,3年間に亙る研究を進めてきた.初年度には,正常血圧に比べてと高血圧のラット胸大動脈から得られた平滑筋細胞の弾性率が半分程度であること,次年度は正常家兎の血管平滑筋細胞は弛緩状態に比べて収縮状態ではその初期弾性率は10倍近く上昇していることなどを見出した.最終年度には細胞の力学特性に大きな影響を与えると予想されるアクチンフィラメントを染色し,その量と力学特性の関係を調べた.まず,正常血圧ラット胸大動脈より単離した直後の平滑筋細胞(FSMC)およびこれを継代培養した4〜9代目の細胞(CSMC)を対象とし,それぞれを細胞用引張試験機で引張試験して力学特性を求めた.また,ローダミン・ファロイジンでアクチンフィラメントの構成成分であるFアクチンを蛍光染色し,両者のフィラメント量の違いを調べた.初期弾性率は,FSMCで11kPa程度(n=8)であったのに対し,CSMCでは2.6kPa程度(n=10)であった.FSMCではFアクチンが細胞全体に強く染色され,個々のフィラメントは識別不可能であったのに対し,培養細胞ではストレスファイバーが明瞭に識別され,明らかにアクチンフィラメント量は低下していた.このようなアクチンフィラメント量の違いが力学特性に差をもたらしたものと考えられる.今後は,細胞骨格が単離平滑筋細胞の力学特性に与える影響を定量的に計測する必要がある.
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 13450040
  • 構造最適化手法を用いた流れ負荷培養内皮細胞における骨格構造の再構築メカニズム
    科学研究費補助金(奨励研究(A), 若手研究(B))
    2001年 - 2002年
    大橋 俊朗
    本研究では流れ負荷培養内皮細胞のアクチンフィラメントが再構築される過程をリアルタイムで観察し,同時に有限要素法解析を行い細胞の力学応答のメカニズムを解明することを目的とする.平成14年度では以下の成果を得た.昨年度用いたGFP-アクチン融合ベクタに加えて,本年度はRFP-FAT融合ベクタを遺伝子導入した.FATとはFocal Adhesion Targetingの略称であり,これにより細胞底面の焦点接着斑の挙動を観察できるため,アクチンフィラメント挙動と併せて内皮細胞の力学応答をより詳細に観察できる.これらの遺伝子を培養ウシ内皮細胞に遺伝子導入し,流れによるせん断応力を5時間にわたって負荷し,共焦点レーザ顕微鏡によりアクチンフィラメントおよび焦点接着斑の挙動を経時的に観察した。その結果,接着斑は流れの方向へ配向し,アクチンフィラメントの収縮に伴い移動する様子が観察された.また,焦点接着斑の間を連結するようにアクチンフィラメントが新たに形成されていく様子も観された.以上のことより,接着斑とアクチンフィラメントの相互関係が流れ負荷内皮細胞の形態変化に深く関与していることが示された.また,細胞骨格構造を模擬した有限要素モデルを構築した.成長の構成則に代表される構造最適化のアルゴリズムを導入して計算を行った結果,実験結果と同様に流れ負荷後,細胞の高さは減少傾向を示し。流れ負荷に伴い流...
    文部科学省, 奨励研究(A), 若手研究(B), 東北大学, 研究代表者, 競争的資金, 13780667
  • 回転観察法による細胞内3次元微細構造解析装置の開発
    科学研究費助成事業
    2000年 - 2002年
    松本 健郎, 大橋 俊朗, 佐藤 正明
    細胞内の微細構造を知るために,従来は共焦点レーザー顕微鏡で焦点をずらしつつ撮影された映像を積み重ねる方法が用いられてきたが,細胞の厚み方向の分解能が不十分で細胞内部の構造を詳細に知ることはまだ難しいのが現状である.そこで本研究では細胞を顕微鏡下に把持し,これを顕微鏡光軸と直交する軸まわりに回転させつつ様々な方向からの像を記録し,これらの像を基に計算機により細胞内の微細構造を再構成する手法の基礎検討を行うことを目的とし,3年間に亙る研究を行った.最初の2年間の研究において倒立蛍光顕微鏡下に細胞をガラスマイクロピペットで表面を吸引して把持し,回転させることのできる細胞把持・回転装置とその制御ソフトウェアを試作した.しかし,細胞の位置および焦点合せの高速化,画像の質の改善などが依然,課題として残されていた.そこで3年目にピペット先端の位置決めをソフトウェアだけでなく,ハードウェアを組合せて行う方式に変更した.即ち,焦点面内のピペットの位置制御をコンパレータ素子を用いて行う方式に変更し,また,焦点制御には従来の比例制御だけでなく,微分制御並びに積分制御も取り入れた.これらの工夫により,細胞にピントを合わせつつ1回転させるのに従来12分を要していたものが,1分で行うことが可能となった.光学系の改良としては顕微鏡を倒立型から正立型で水浸の対物レンズを使用する方式に変更し,画像を改良した.また,細胞を回転させ様々な方向から得られた蛍光像より細胞の内部構造を再構成するアルゴリズムを確立し,トリプシンで基盤から剥離した培養血管内皮細胞の胞体形状と細胞核形状を別々に得て3次元的な像を得ることに成功した.
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 12558101
  • 魚の側線感覚細胞はせん断速度センサとなりうるか?
    科学研究費助成事業
    2000年 - 2001年
    佐藤 正明, 大橋 俊朗, 松本 健郎
    魚類や円口類(ヤツメウナギなど)の体の両側にある側線は音を感じるセンサであることはよく知られている.また,このセンサは魚などのまわりの水の動きに反応しているのではないかという考えが提案されているが,このような観点からの研究例はほとんどない.もし,水の動きを感じることができるとすれば,流れのせん断応力あるいはせん断速度を計測可能なセンサとして利用可能になる.そこで,本研究では魚などの側線に存在する感覚細胞を取り出して培養し,流れ負荷の状態で魚の感覚細胞の特性を明らかにし,その応用についても議論することを目的とする.
    これまで報告されている感覚細胞を使った研究ではカジカが利用されているが,本研究ではカジカが入手困難のため金魚を使い,次の結果を得た.
    1.金魚の側線感覚細胞の存在する部位から組織を切り出し,Ca^<2+>,Mg^<2+>を含まないハンクス液にコラゲナーゼとエラスターゼを含む溶液を作製して,組織を処理した.種々の濃度の組み合わせにより検討した結果,最適の濃度を見いだし,側線感覚細胞を単離することができた.単離後,細胞活性をトリパンブルーにより観察したところ,特に強い傷害も受けていないことを確認した.
    2.感覚細胞を通常の細胞培養液中にて培養を試みたところ,2〜3日の培養は可能であるが,その後は急速に細胞活性を失っていくことを確認した.
    3.感覚細胞をゲル中に包埋してせん断応力を負荷する装置にセットし,流れ負荷をかける実験を試みたが,細胞の活動度を電極を用いて定量的に評価する計測までには至らなかった.今後はこの点を中心に検討を進める予定である.
    4. せん断応力負荷時の側線細胞の応答機構について有限要素法を用いて解析し,細胞内の変形と応力分布を得た.今後細胞内構造と応力分布の関係を検討する予定である.
    日本学術振興会, 萌芽的研究, 東北大学, 12878164
  • 血管内皮細胞の力学応答とアクチンフィラメントのダイナミックス
    科学研究費助成事業
    2000年 - 2001年
    佐藤 正明, 大橋 俊朗, 松本 健郎
    培養した内皮細胞にせん断応力を負荷することによって,生きたままの細胞内のアクチンフィラメントの動的挙動を詳細に観察することができた.細胞が静置培養時に多角形状をしている際に,細胞周囲に多く存在していた細かいアクチンフィラメントの束は,流れ負荷によて再配列をし,新たな構造を形成した.このような現象は特に細胞の上流側と下流側で顕著であった.また,アクチンフィラメントの重合を阻害するサイトカラシンDを投与するとアクチンフィラメントが収縮する現象を詳細に観察することができた.これにより,アクチンフィラメントがゴム状の強い粘弾性を有していることが推測された.アクチンフィラメントの動きにはその足場となるインテグリンが強く関与している可能性があり,インテグリンとアクチンの接着に関与している蛋白であるFAKの一部のFAT(focal adhesion targetting)にGFPを接合させてその力学応答も観察し,アクチンの配列に先実験的には培養内皮細胞を用いて流れ負荷実験を行い,かつその後の内皮細胞形状と力学特性を原子間力顕微鏡(AFM)を用いて計測した.AFMの計測で得られた形状をもとにして,フローチャンパ内の流れの状態および流れが内皮細胞に及ぼす力,さらには細胞内に発生する応力分布を有限要素法により計算した.内皮細胞の内部のモデルとしては,アクチンフィラメントの細胞骨格構造をビームで模擬したもの,あるいは均質材料としてモデル化したものを用い,流れと構造の連成解析を行って,3次元の変形状態や応力状態を求めた.細胞の大きな変形までも考慮した解析が必要であることが判明したので,構造要素を変形の度に再構築するアルゴリズムを導入して計算を実行し,細胞骨格の分布が内部応力に依存していると思われる結果を得た.
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 東北大学, 12480257
  • 病変の複雑性を考慮した動脈硬化血管壁内応力・ひずみ分布の実計測
    科学研究費助成事業
    1999年 - 2000年
    松本 健郎, 大橋 俊朗, 佐藤 正明
    動脈硬化の発生・進展と力学的因子の関係を総合的に明らかにするためには,流れが内皮細胞に及ぼす影響だけでなく,血管壁内の応力・ひずみ分布を精密に知ることが必要不可欠である.そこで本研究では,家兎胸大動脈に実験的に動脈硬化を発症させ,その局所の力学場を詳細に知るために,組織標本から計測した局所の血管壁形状と加圧に伴う血管壁局所の変形を組合せて計測することを目標にして2年間の研究を進めてきた.まず始めに家兎胸大動脈局所の弾性係数をピペット吸引法で計測し,また組織像と局所弾性率の関係を定量的に調べた.その結果,動脈硬化組織は泡沫細胞が集まった病変の初期状態では正常血管組織より柔らかくなり,その後,病変部への平滑筋細胞の出現,石灰化組織の出現により硬化することが判った.次に加圧に伴う血管壁の変形を詳細に知るために,血管壁にマーカーとなる微小針をほぼ90°間隔に4本刺し,加圧に伴う針の位置や向きの変化を血管軸方向から観察して,加圧に伴う血管壁の変形を血管壁を4分割した領域についてそれぞれ調べた.そして,組織標本から計測した局所の血管壁形状と加圧に伴う血管壁局所の変形を組合せて,生理的状態におけるひずみ分布を推定した.またヒト冠動脈に関しても同様の計測を行った.その結果,家兎胸大動脈において動脈硬化血管は加圧に伴い円周方向に一様に膨らむのではなく,場所によりひずみに差のあることが明らかとなった.このひずみの不均一さは病変が進行するにつれて大きくなる傾向にあった.また,ヒト冠動脈ではプラークの厚い領域ほどひずみが小さい傾向にあることが明らかとなった.以上より,動脈硬化血管は不均質であり,動脈硬化血管壁内の力学場を正確に知るためには弾性率,ひずみともに局所的な計測が必須であることが示された.
    日本学術振興会, 基盤研究(C), 東北大学, 11680834
  • マイクロマシニングによる超微細構造光学素子の開発
    科学研究費助成事業
    1998年 - 2000年
    羽根 一博, 佐々木 実, 江刺 正喜, 南 和幸, 大橋 俊朗
    電子線描画と高速原子線加工によるサブ波長格子の製作方法を提案し、製作と評価を行った。導電性のない光学ガラスの表面に150nm周期の表面格子を製作した。描画後のエッチングにおいては、導電性のない材料であっても微細なエッチングが可能な高速原子線エッチング技術をもちいた。従来のイオンエッチングにおいては、電荷の蓄積で、精密なエッチングが困難であったが、方向を揃えた高速の中性原子を用いて、高いアスペクト比の加工を実現した。これにより、光学ガラス部品の表面反射を大幅に抑えることができた。厳密解法の電磁界解祈プログラムを作成し、サブ波長格子を理論的に解所した。格子周期とアスペクト比が反射特性に大きく影響することを明らかにした。さらに陽極酸化ポーラスアルミナをマスクとして高速原子線加工を行い、周期100nmでアスペクト比6以上のサブ波長格子をシリコン基板に製作した。370nmから800nmの波長帯域において、優れた反射防止特性が得られた。また,ガリウム砒素発光ダイオード表面にサブ波長格子を製作した。ガリウム砒素のエッチング特性を利用し、テーパー形状でアスペクト比の高い格子を製作し,高放射率発光ダイオードを実現した。アクチュエータとの組み合わせにおいては,表面マイクロマシニング技術を導入し,静電型のマイクロアクチュエータを実現した.さらに,熱型アクチュエータも製作した動作を確認した.これらを組み合わせて可動構造のある超微細構造格子の製作を試みた.これらの結果により,本研究課題の主要部分を実現した.
    日本学術振興会, 基盤研究(A), 東北大学, 10305020
  • Cell structure and mechanobiology               
    2000年
    競争的資金
  • 細胞の構造とメカノバイオロジーに関する研究               
    2000年
    競争的資金
  • 細胞の構造観察と力学特性の同時計測用レーザー顕微鏡組込み型原子間力顕微鏡の開発
    科学研究費助成事業
    1998年 - 1999年
    佐藤 正明, 林 美明, 大橋 俊朗, 松本 健郎, 片岡 則之
    細胞内部の微細構造の観察が可能な共焦点レーザ顕微鏡に原子間力顕微鏡を組み込み力学特性が同時計測できるようにするとともに,培養細胞に力学的刺激負荷が可能な装置を開発する目的で研究を行い,次の成果を得た.
    1.半導体レーザを利用したカンチレバー駆動型で,細胞培養用のディッシュが設置可能な試料ホルダーを備えた原子間力顕微鏡を開発した.カンチレバー及び試料ホルダーの駆動は全てコンピュータによる制御で行う.
    2.固定した内皮細胞のアクチンフィラメントを観察すると同時に原子間力顕微鏡を用いて3次元形状を計測することができた.次のステップとして生細胞において内部構造を観察するための方法として,遺伝子導入の技術を用い,GFP/アクチンベクターを準備し細胞内において発現する方法を開発した.今後この技術を利用して初期の目的の実験を行う予定である.
    3.本装置を利用して流れ負荷実験ができるように,市販のディッシュに直接装着が可能なI/Oポートを開発した.ただし,現在市販のディッシュでは流量負荷実験が行えないため,特注によりガラスをディッシュ内側底面に張り付けたものを製作した.このディッシュの利用により簡便にかつ効率よく本装置の上で内皮細胞に対する流れ負荷実験が行えるようになった.その結果,流れを負荷した内皮細胞の局所力学特性を原子間力顕微鏡によって計測したところ,硬さが上昇していることが明らかとなった.さらに,1つの細胞内の場所による硬さの違いも明確になった.
    4.細胞内部におけるアクチンフィラメントの発達の要因が内部応力であるとの仮説の下に,開発した原子間力顕微鏡を用いて流れを負荷した内皮細胞の形状を計測し,このデータから有限要素モデルを作成して細胞内部の応力解析を行った.その結果,細胞の上流側上部に応力が集中しており,細胞骨格の発達と定性的な相関が得られた.
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 東北大学, 10558126
  • 大動脈瘤破裂の危険因子発現のためのバイオメカニクス的解析
    科学研究費助成事業
    1998年 - 1999年
    佐藤 正明, 貞弘 光章, 松本 健郎, 田林 晄一, 秋元 弘治, 大橋 俊朗
    大動脈瘤壁の力学特性を調べ,患者の大動脈瘤形状を非侵襲的に計測し,壁の変形挙動及び壁内の応力解析から大動脈瘤発生後の危険因子の把握と破裂診断のためのモデル作りを目的として,以下の成果を得た.
    1.大動脈瘤の力学的性質の計測と3次元有限要素モデルの構築
    新たに作製した二軸引張試験機を用いて手術時に大動脈瘤患者から切除した組織片の力学的性質を計測した.その結果,正常と思われる組織に比べて病変部では弾性係数が高い値を示し,いずれも硬化している現象が明らかとなった.弾性係数が高い値を示した大動脈瘤組織ほど大きな力学的異方性が認められた.
    MRI画像に基づく大動脈の3次元の有限要素モデルを完成させ,薄肉を仮定した解析により大動脈壁内の応力とひずみ分布を求めることができた.この結果,応力は大動脈弓部の前・後壁に集中しており,この部分に大動脈瘤が形成される例が多いこととよく一致していた.この基本モデルに動脈瘤を種々の形状と位置を想定して解析したところ,瘤の形成位置によって応力の集中の程度も異なることが明らかとなった.
    2.大動脈瘤患者の壁運動の解析ならびに大動脈瘤の力学的性質の推測と破裂予測モデルの構築
    シネMRI画像において心電図同期tagging法を用いて拡張期末期から収縮期にかけて動脈壁内腔と外壁の動きを計測し,大動脈瘤近傍に生じるひずみ,局所応力を求めた.解析の結果,健常者では弓部前壁あたりで大きなひずみを生じ,大動脈瘤患者では大動脈瘤形成部位あたりで外側に大きく膨らむような変形をすることが明らかとなった.
    以上の結果に基づき,今後MRI画像から有限要素モデル構築までの迅速化,利便性を考慮したシステムの改良と基礎データを積み重ねていく予定である.
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 東北大学, 10480241
  • 生体光情報計測のための近接場光学プローブの開発と評価
    科学研究費補助金(奨励研究(A))
    1998年 - 1999年
    大橋 俊朗
    近年,生物フォトンと呼ばれる超微弱光が注目されてきた.この生物フォトンが計測できれば新たな生体情報として非常に有用である.そこで,本研究では生物フォトンを効率よく検出するために微細加工技術を用いて微小なプローブを開発することを目的とする.この計測は近接場顕微鏡の原理を応用したもので,生体表面上のフォトンを微小プローブによって散乱させ,プローブ先端からフォトンを集めるものである.まずシリコンの微細加工技術により微小プローブを製作するために,有限要素法解析(FEM)により片持ち梁およびねじれ梁の振動特性を理論的に解析した.その結果,ねじれ梁は高次のモードを排除できるが片持ち梁の方が同程度の形状を有する場合,共振周波数は高い値を示した.次にフォトリソグラフィー技術により単結晶シリコンの微小プローブを製作した.製作した微小プローブの周波数特性はLC共振回路による容量センサおよび発信器から構成される実験装置によって測定を行ない,FEM解析結果とよい一致を示すことを確認した.この微小プローブを原子間力顕微鏡(AFM)のプローブとして用いれば細胞の表面形状とともにフォトンが検出できる.そこで第一段階として実際にウシ大動脈由来血管内皮細胞を用いて細胞表面形状を測定した.また,微弱光を検出するためのフォトダイオードの製作を併せて行なった.n型のシリコン基板にp型のボロンイオンを打ち込むことでp...
    文部科学省, 奨励研究(A), 東北大学, 研究代表者, 競争的資金, 10780526
  • 細胞内微細構造インプロセス計測型マイクロ引張試験機の開発と評価
    科学研究費助成事業
    1997年 - 1999年
    松本 健郎, 片岡 則之, 大橋 俊朗, 佐藤 正明
    本研究では3年間に亙り細胞を引張った際の内部構造の変化を,張力変化と同時に顕微鏡下に明瞭に観察できる装置の開発を進めた.顕微鏡(BX50WI,オリンパス)下に細胞の両端を細胞接着剤(Cell-Tak)でコートしたガラスマイクロピペット(内径3〜15μm)に吸引・固定し,一端のピペットを電動マニピュレータ(MMS-77,島津製作所)で引張った際の細胞の形状変化を詳細に計測できるようにした.また他端のピペットはカンチレバー型とし,細胞変形に伴う撓み量の変化を光学的に計測することで細胞に加わる力を求めた.画質向上のため正立顕微鏡下で水浸の対物レンズにより観察する系とした.顕微鏡の光軸方向の位置決めには鏡筒上下式のものを用いることで複雑な実験操作を可能ならしめた.Explant法で得た継代6〜7代目の培養ウシ胸大動脈平滑筋細胞(BASM)および酵素法で得たラット胸大動脈平滑筋細胞(RASM)に関し,37℃の生理的塩類溶液中で引張試験を行えることを確認した.引張速度を変えたBASMの試験結果より,ひずみ速度と細胞の弾性特性との間にはひずみ速度4%/sec以上の領域では有意な相関のあることが明らかとなった.ひずみ速度が0.2〜4%/secの範囲で行ったBASMとRASMの弾性率(公称応力-ひずみ線図より算出)を比較したところ,BASMでは3kPa程度,RASMでは12kPa程度と4倍程度高いことを見いだした.細胞採取方法の違いにより,BASMは収縮タンパクの少ない合成型,RASMは収縮タンパクに富む収縮型のフェノタイプを示していると考えられる.細胞内の収縮タンパク量の違いがこのような弾性特性の違いをもたらした可能性が考えられた.
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 東北大学, 09558109
  • アモルファスSiを利用した光導波路一体型カンチレバーの製作
    科学研究費助成事業
    1998年 - 1998年
    羽根 一博, 大橋 俊朗, 佐々木 実
    非伝播性のエバネッセント波から伝播性の光に変換するために、近接場顕微鏡においては尖ったファイバープローブや微細加工プローブが用いられる。よく用いられるファイバープローブに比較して、微細加工プローブの特徴はプローブに多機能を付加できるSiデバイスとの集積化が可能であることである。SiO_xN_y,Si_3N_4やSiO_2などの材料が従来、導波路材料として用いられている。一方、アモルファスシリコン(α-Si)は結晶Siデバイスとの製造互換性をもった興味ある材料であるが、導波路の材料としてはあまり用いられてこなかった。α-Siは0.82μm以上の波長の光に対して吸収が激減し、ほとんど透明になる。一方、結晶Siは1.1μm以上の赤外光において透明である。0.82μm-1.1μmの波長領域に対してα-Siは透明媒質として働き、結晶Siは吸収材料として働く。また、この領域には高出力GaAlAs半導体レーザの波長が含まれている。α-Siが高い屈折率(3.6)を持つことから微小領域に光を閉じこめることが期待でき、クラッドの材料として多くの選択が可能となる。これらのことより、本研究ではα-Siを用いて導波路型カンチレバーを製作した。
    半導体レーザを全反射角でプリズムに入射し発生させたエバネッセント波により、プリズム表面に近付けたα-Siカンチレバーを照射し、その様子を光学顕微鏡により観察した。反りのためカンチレバー中を伝播する光がカンチレバーの中央から漏れ出ているのが見られた。広いカンチレバーの方が先端が三角型のカンチレバーよりも明るい光出力が得られた。α-Siカンチレバーからの光の放射を観測することで基本的な導波特性を確認した。次にSiフォトダイオードや半導体レーザなどとの集積化を試みる。
    日本学術振興会, 特定領域研究(A), 東北大学, 10135203
  • 細胞内力学伝達機構の解明               
    1998年
    競争的資金
  • 機械的刺激に対する血管内皮細胞の応答に関するバイオメカニクス
    科学研究費助成事業
    1995年 - 1997年
    佐藤 正明, HELLUMS J.Da, GIRARD Peggy, NEREM Robert, 片岡 則之, 松本 健郎, HELLAMS J.Da, DEWEY Jr. C., 大橋 俊朗
    最終年度である本年度は,これまでの研究成果を総括的に眺め,従来の研究方法で方法論的に問題となっていた点の幾つかを克服する試みを行った.
    1.アクチン線維を生きた細胞内で観察する技術の開発
    血管内皮細胞の力学的刺激感知機構に深く関与すると考えられている細胞内アクチン線維の観察方法として現在主流である蛍光抗体法には,固定した細胞でしか観察が行えないという重大な欠点がある.そこでGFP(Green Fluorescent Protein)という蛍光タンパク質をアクチン線維の架橋タンパク質であるα-アクチニンに結合させたものを遺伝子導入技術を用いて内皮細胞に産生させることを試み,従来困難であった生きたままの細胞におけるアクチン線維動態の観察を行うことに成功した.
    2.血管内腔面の内皮細胞をそのまま利用した流れ負荷実験系の開発
    従来,動物実験と培養内皮細胞を用いた実験の結果には多くの矛盾が生じている.そこでウサギより摘出した胸大動脈を平行平板型流路に設置することによって,両者の短所を補うという新しい実験系を確立し,内皮細胞の流れによるせん断応力に対する形態変化を計測した.その結果,1Paの流れによるせん断応力を生体内での血管軸方向と直角に負荷したところ,72時間後に新たな流れの方向へ配向した内皮細胞が多く観察され,本装置の妥当性が確認された.
    日本学術振興会, 国際学術研究, 東北大学, 07044112
  • 微細加工デバイスを用いた細胞機能の計測               
    1997年
    競争的資金
  • ピペット吸引による血管壁の非線形局所力学特性の測定に関する研究
    科学研究費補助金(奨励研究(A))
    1996年 - 1996年
    大橋 俊朗
    1.はじめに 血管壁の大変形時の弾性特性を知るための新たな測定法として、二軸引張装置により予めひずみを与えた状態でピペット吸引を行うことで試料の大変形時の弾性係数を推定する方法を提案した。また、内圧負荷試験を併せて行い両試験法による結果を比較・検討した。2.方法 ブタ胸部下行大動脈(外径約20mm、壁厚約2mm)から40x40mm程度の十字型試料を、主軸を血管壁の軸および円周方向に一致させながら十字型金型で打ち抜いた。試料を内腔面を上にして自作の二軸引張装置に固定し、周囲を室温の生理食塩水で満たした。ネジ送りステージを調節して軸および円周方向の伸び比を1.0〜1.5程度の範囲で0.1ずつ変化させながら、内径800μmのガラスピペットで試料表面を吸引した。ピペット内の試料の変形量はビデオマイクロスコープを通してモニタ上で二値化して求めた。一方、軸および円周方向の試料のひずみはCCDカメラで撮影し、試料表面の標線を二値化して求めた。弾性率Eは実験から得られた吸引圧-変形量関係を有限要素法解析から得られた同様の関係と比較することで求めた。また、別途比較のため同一個体の円筒状試料に対して従来法の内圧負荷試験を行い増分弾性係数H_<θθ>を求めた。3.結果および考察 軸方向伸長比λ_zが一定の場合、Eは円周方向伸長比λ_θが増加するに伴い単調に増加した。一方H_<θθ>は指数関数的に増...
    文部科学省, 奨励研究(A), 東北大学, 研究代表者, 競争的資金, 08780813

産業財産権

  • 局所弾性率測定装置               
    特許権
    特願平 11-185490