PRESS RELEASE（2022/07/21）

動きまわる⼈⼯細胞、その鍵は摩擦にあり〜細胞が狭い空間を利⽤して運動する仕組みを解明〜
ポイント①

狭い⽣体組織内のガン細胞は，細胞内の収縮⼒を細胞外の組織に伝達することで移動していることが知られていたが，その⼒伝達の仕組みは細胞の複雑さのために未解明②

⽣体組織内の細胞の動きを単純化した「⼈⼯細胞」注 1）を世界で初めて開発し，収縮⼒を⽣み出す細胞⾻格と細胞膜の相互作⽤が⼒伝達を可能にすることを解明③

⽣体組織内の細胞運動の理解に応⽤し，ガン細胞の運動制御法の開発などへの応⽤が期待

概要

私たちの体の⽣体組織は細胞と細胞外基質から構成され，細胞間の隙間はコラーゲン線維などの細胞外基質で埋め尽くされた狭い空間です．この⽣体組織内を移動するガン細胞から⽩⾎球の運動に⾄るまで，単⼀細胞の⾃律運動では細胞内から細胞外への⼒伝達が不可⽋です．そこでは，細胞内に網⽬状に張り巡らされたアクチン細胞⾻格注２）の収縮⼒が外部の基板に伝達され，細胞を前進させます．しかし，効率的な⼒伝達を可能にする仕組みは細胞の複雑さのため研究が困難でした．
九州⼤学理学研究院 前多裕介准教授，坂本遼太同博⼠課程学⽣（現：イェール⼤学 ポストドクトラルフェロー），Ziane Izri 同学術研究員（現：ミネソタ⼤学 ポストドクトラルフェロー）らの研究グループは，京都⼤学⽩眉センター 宮﨑牧⼈特定准教授，情報・システム研究機構国⽴遺伝学研究所 島本勇太准教授らと共に，⽣体内を移動するガン細胞を模した，⾃律的に運動する「⼈⼯細胞」を開発し，⼒伝達の仕組みを初めて明らかにしました．本研究チームは，脂質膜に囲まれた液滴のカプセルにアクチンを閉じ込めて単純化した⼈⼯細胞を作成しました．この⼈⼯細胞を２枚のガラス板に挟むと，アクチンの流れが⼈⼯細胞の表⾯とガラス基板の間に摩擦⼒を⽣み，⾃律的に運動できることを世界で初めて発⾒しました．さらに，狭い空間に拘束された運動を記述する新しい理論モデルを構築し，界⾯摩擦⼒と流体抵抗のバランスで運動速度が決まることを解明しました．本研究により，効率的な⼒の伝達に不可⽋な物理的要因を明らかにしたことは，⽣体組織内を運動する細胞運動の⼒伝達メカニズムの理解に貢献する成果です．今後，ガン細胞の転移を抑えこむ⽅法論の開発の⼀助となり，狭い空間を移動するマイクロ・ロボットの設計などへの波及効果が期待されます．
本研究成果は，2022 年 7 ⽉ 20 ⽇ (⽶国東部時間)に⽶国科学雑誌「Proceedings of the National
Academy of Sciences of the United States of America」で公開されました．
(参考図)
ガラス基板に挟まれた⼈⼯細胞の模式図（左）と，実際に運動している⼈⼯細胞を上から⾒た顕微鏡写
真．破線は初期/最終位置の輪郭を⽰す．

【研究の背景と経緯】
細胞の⾃発運動は形態形成や創傷治癒，腫瘍転移に関わり，その運動原理の理解は物理学から⽣命科学に広がる重要な課題です．これまで，細胞が２次元基板上での接着と脱着の繰り返しで歩くように動く“接着型運動”について多くの知⾒が得られていました．しかし，近年，⽣体組織や微⼩流路などの狭い空間に拘束された細胞の新しい運動様態として，接着を介さずに⾃発運動する“⾮接着型運動”が注⽬を集めています（図１a）．⾮接着型運動を⾏う細胞では，接着型運動のように強い接着点をはがす必要がないために運動速度が１０倍程度速く，狭い空間を素早く移動できるという利点があります．ガン細胞から免疫細胞にいたるまで，⽣体組織内では様々な細胞がこの運動様式を採⽤していることが明らかにされてきました．⾮接着型運動の運動メカニズムの理解は，ガン細胞の運動抑制や免疫細胞の運動活性化につながることが期待されるため，近年活発に研究が⾏われています．
この⾮接着型運動で最も重要な役割を担うのは，細胞内に網⽬状に張り巡らされたアクチン線維と，そこに結合して収縮⼒を発揮するミオシン分⼦モーターの複合体から成る“アクチン細胞⾻格”です（図１b）．特に，⾮接着型運動を⾏う細胞の特徴的な能⼒は，細胞内で⽣み出されたアクチン細胞⾻格の収縮⼒を細胞外へと伝える“⼒伝達”にあります．細胞内で⽣成された収縮⼒は⽣体組織などの周囲環境に伝達され，その反作⽤によって細胞は前進することができます．しかし，細胞が⽣体組織内の３次元的な拘束にさらされることで⾮接着型運動に転じるメカニズムや，接着を介さずに効率的な⼒伝達を⾏う⼒学的な原理はよくわかっていませんでした．これまでの研究では，⽣きた細胞内でのアクチンと細胞膜の相互作⽤の複雑さや，アクチンの収縮⼒活性を制御するシグナル伝達（⽣化学反応）などの副次的要因のために，⼒伝達に関わるアクチン細胞⾻格の⼒学的な寄与のみを独⽴に調べることが困難であることが課題となっていました．

図１．(a) ⽣体組織中のガン細胞は⾮接着型運動によって運動を⾏う．(b) 微⼩流路などの３次元拘束下では，接着型運動から⾮接着型運動に転じ，アクチン細胞⾻格の収縮⼒によって⽣じるアクチン流動と逆向きに細胞は前進することが知られている．アクチン流動はアクチン線維の重合と脱重合によって維持される．下はアクチン細胞⾻格の模式図．

【研究の内容と成果】
本研究ではこれらの課題を克服し，細胞運動の駆動原理を実験的に探るべく，アクチン細胞⾻格を含む細胞質抽出液を油中液滴（直径 50-400 ㎛）に閉じ込め，油⽔界⾯にリン脂質膜を配列した⼈⼯細胞を構築しました（図２a）．この⼈⼯細胞を⽤いることで，アクチン細胞⾻格の収縮⼒に由来する⼒学的な寄与のみを切り取り，⼒伝達の⼒学的メカニズムを調べることが可能になります．特に本研究では，細胞における⼒伝達に重要と考えられるアクチン細胞⾻格と細胞膜の相互作⽤に着⽬し，アクチン細胞⾻格と細胞膜の結合を促すリン脂質（PIP2）を加えることでアクチン細胞⾻格を膜界⾯に局在しました（図２a）．
すると，結合が強い箇所にアクチンが局在し，⽣きた運動性細胞に特徴的な“極性”の実現に成功しました（図２b）．さらに驚くべきことに，その極性⽅向にアクチンの流れが⽣じ，まるで⽣きた細胞のように⾃発運動を⾏う⼈⼯細胞を世界で初めて開発しました（図２b,c）．この⼈⼯細胞は，アクチンと膜の相互作⽤，膜の組成，外部基板との相互作⽤などを定量的に制御できるため，アクチン細胞⾻格のみに由来する⼒伝達の⼒学的メカニズムや，３次元的な拘束下における⾃発運動の物理的性質を調べることを可能にします．

図２．(a) 実験系を横から⾒た模式図．疎⽔コート基板で⼈⼯細胞を挟み込み，その運動を解析する．⼈⼯細胞内ではアクチン線維の重合/脱重合，ミオシンによる収縮⼒が発⽣する．(b) ⾃発運動する⼈⼯細胞を上から⾒た顕微鏡写真の時間経過．点線は初期位置における⼈⼯細胞の輪郭を⽰す．(c) ⼈⼯細胞の輪郭の時間経過の重ね合わせ．時間経過を異なる⾊で⽰す．×印は⼈⼯細胞の重⼼を表す．

そこでまず，この⼈⼯細胞を⾼さ 30-100 ㎛の微⼩流路に挟み込み，空間的な拘束下での運動を解析しました．実験の結果，⼈⼯細胞は微⼩流路の拘束条件下でのみ，活発な⾃発運動を⾏うことができることを明らかにしました（図３a）．⼈⼯細胞の膜界⾯と微⼩流路には特異的な接着がないため，⾮接着型運動によって液滴が移動したと考えられます．
ではこのとき，細胞外への⼒伝達はどのようにして可能になるのでしょうか？この疑問に答えるべく，⽣きた細胞ではこれまで調べることが困難であった，アクチン線維と膜界⾯の結合に着⽬しました．アクチン線維と膜界⾯の結合を介した⼒伝達を可視化するため，⼈⼯細胞の下側の基板上に蛍光ビーズを敷き詰め，そのビーズがアクチン細胞⾻格の収縮に伴う流れによって輸送されるかどうかを調べました．その結果，アクチン線維と膜界⾯の結合がある場合にのみ，収縮するアクチン細胞⾻格と共にビーズが移動することが分かりました（図３b）．この結果から，アクチン線維と膜界⾯の結合というシンプルな条件のみで，アクチン細胞⾻格の収縮⼒が外部に伝達されるということを，世界で初めて実験的に⽰すことに成功しました．

図３．(a) 異なる⾼さの基板に，同程度の⼤きさの⼈⼯細胞を挟んだ場合の運動を上から⾒た顕微鏡写真．基板との接着⾯積が⼤きい場合にのみ⻑距離を運動することができる．
(b) 基板への⼒伝達を可視化する実験系を横から⾒た模式図と，アクチン流動の⽅向に移動する蛍光ビーズの蛍光顕微鏡写真の時間経過（上から⾒た画像）．アクチンと膜界⾯の結合がある場合にのみ，⼈⼯細胞の外側にある蛍光ビーズが移動する．

以上の結果を基に，⼈⼯細胞の運動速度はアクチン流動による界⾯摩擦⼒と周囲環境の流体抵抗のバランスで決まるというモデルを考案し，狭い空間に拘束された⼈⼯細胞の⾃発運動を記述する新しい理論モデルを構築しました（図４a）．理論モデルの解析から，３次元的な拘束にさらされた⼈⼯細胞の形状（基板の⾼さ h と⼈⼯細胞の直径 D の⽐率）によって運動速度が決まることが予測されました．この閉じ込めの形状による運動速度の増減を実験的に検証するため，基板の⾼さと⼈⼯細胞の⼤きさを系統的に変化させ，運動速度を調べました．解析の結果，基板に挟まれた⼈⼯細胞では接着⾯積の増加に伴い運動速度が増すことから，界⾯摩擦⼒が接着⾯積に⽐例して⼤きくなることがわかりました（図4b，グラフの上図(i),(iii)）．⼀⽅で，基板の⾼さが極端に低く狭い空間では運動速度が遅くなることを発⾒しました（図 4b，グラフの右図(ii),(iii)）。この結果は，狭い空間ほど流体抵抗の寄与が⼤きくなり，⼈⼯細胞の動きが制限されることを意味します．さらに，これらの運動速度の変化が，考案した理論モデルと⼀致していることも⽰すことで（図 4b，理論曲線），⾮接着型の細胞運動を閉じ込めの形状によって制御できることを初めて明らかにしました．以上の結果は，狭い空間を移動するガン細胞などが受ける物理的制約についての理解を深めることに繋がると期待されます．

図４．(a) アクチン流動による界⾯摩擦と流体抵抗のバランスで⼈⼯細胞の運動速度が決まるモデル．(b) 基板の⾼さ h，⼈⼯細胞の直径 D を変化させたときの運動速度の閉じ込め形状への依存性．２つの⻑さの⽐（アスペクト⽐）である h/D が 1 よりずっと⼩さい⼈
⼯細胞は扁平な形，h/D が 1 に近い場合は球形をしている．同じ⾼さでは，図の右から左に向けて液滴の直径が⼤きくなることで摩擦⼒が増加し，運動速度が増加する．図の上から下にかけて，基板の⾼さが低くなることで流体抵抗の寄与が⼤きくなり，運動速度が減少する．

【今後の展開】
本研究では，単純化した⼈⼯細胞モデルを開発することで，⼒伝達には（i）アクチン膜結合および（ii）基板との物理的接触の⼆つの要素が必要であることを⽰し，効率的な⼒の伝達に不可⽋な物理的要因を明らかにすることができました．この単純化された⼈⼯細胞は，⾮接着型の細胞運動における⼒学的側⾯の探究に最適なプラットフォームになると期待されます．⾮接着型運動の運動効率を決める物理的要因を明らかにすることで，ガン細胞の運動性を抑制し，逆に免疫細胞の運動性を活性化させるなど，アクチン流動によって駆動される細胞運動を制御する⽅法論の開発の⼀助となることが期待されます．
本研究の特⾊として，細胞運動に不可⽋な極性形成と⼒伝達が，⽣化学的シグナル伝達や特定の接着タンパク質の助けを借りずに，膜界⾯に結合されたアクチン細胞⾻格の⾃⼰組織化のみによって実現できることを⽰した点が挙げられます．また，これまでの⼈⼯細胞研究では，膜界⾯とアクチン細胞⾻格の相互作⽤が⾒過ごされていました．本研究では細胞運動のような⼀⾒複雑に⾒える現象が，アクチンと膜界⾯との結合という単純な相互作⽤から⽣じ得るということを⽰したという点で意義深く，アクチン細胞⾻格の収縮現象を記述するアクティブ・ゲル物理学から細胞⽣物物理学にわたるまで広くアクチン細胞⾻格の物理的理解を発展させるものです．本研究で得られた理解は，細胞が周囲環境を巧みに利⽤しながら⾃律的に動作する原理の解明に貢献するだけでなく，バイオミメティクス（⽣物模倣）⼯学における設計原理の開発などへの波及効果が期待されます．

【⽤語解説】(※1) ⼈⼯細胞
⽣きた細胞から「部品」となる構成要素を取り出し，それらを細胞サイズの油中液滴などに封⼊することで単純化したもの．⼈⼯細胞を⽤いることで，細胞内のタンパク質の種類と濃度，細胞サイズ，膜の組成を定量的に制御することができる利点がある．
(※2) アクチン細胞⾻格
細胞の変形や運動など，細胞内の⼒⽣成の多くをアクトミオシン細胞⾻格が担う．アクチン細胞⾻格は主として，重合と脱重合によって⻑さが変わる⼆重螺旋状のアクチン線維と，そこに結合し ATP（アデノシン三リン酸）を消費して収縮⼒を発⽣するミオシン分⼦モーターから成る．その他にも種々の架橋タンパク質や重合/脱重合タンパク質が関わることで，⽣体内の多様な⼒学を担っている．

【謝辞】
本研究は JSPS 科研費 JP18H05427 ， JP20H01872 ， JP21K18605（ 研 究 代 表 者 ：前 多 裕 介 ），JP19J20035（ 研 究 代 表 者：坂 本 遼 太 ），JP 19H05393（ 研 究 代 表 者 ：宮 﨑 牧 ⼈ ），JP19H03201 ，JP20K21404（ 研 究 代 表 者：島 本 勇 太 ），Human Frontier
Science Program 研究グラント（RGP0037/2015, 研究代表者：前多裕介），JST 戦略的創造研究推進事業さきがけ（JPMJPR20ED，研究代表者：宮 﨑 牧 ⼈ ），京 都 ⼤ 学 ⽩ 眉 セ ンタ ー （ 研 究 代 表 者 ： 宮 﨑 牧 ⼈ ） の助成を受けたものです．

【論⽂情報】
掲載誌：Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States ofAmerica
タイトル：Geometric trade-off between contractile force and viscous drag determines
the actomyosin-based motility of a cell-sized droplet（収縮⼒と粘性抵抗の幾何学的バランスがアクトミオシンによる細胞サイズ液滴の運動性を定める）
著者名：Ryota Sakamoto, Ziane Izri, Yuta Shimamoto, Makito Miyazaki, and Yusuke T.
Maeda
D O I ：https://doi.org/10.1073/pnas.2121147119

【お問合せ先】＜研究に関すること＞
九州⼤学理学研究院物理学部⾨ 前多 裕介（マエダ ユウスケ）
T E L：092-802-4071
Mail：ymaeda@phys.kyushu-u.ac.jp＜報道に関すること＞
九州⼤学広報室T E L：092-802-2130 FAX：092-802-2139
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