助成番号

５－２181161
研 究 成 果 報 告 書

研究テーマ
（和文）

マイクロ流体プラットフォームで解明・制御する真核細胞の自律変形応答

研究テーマ
（英文）

Dynamic deformation andmicrofluidic platforms

研究期間

２０１８年 ～ ２０２１年

研究代表者
氏
名

伊藤 弘明

（カタカナ）

イトウ ヒロアキ（英文）Hiroaki Ito

金子 真（カタカナ）

カネコ マコト（英文）Makoto Kaneko

所属機関・職名

名城大学・教授氏
名eukaryoticcells

controlled

under大阪大学・千葉大学

千葉大学大学院理学研究院・助教

（漢字）

共同研究者

of

研究機関名

（漢字）

所属機関・職名（１名をこえる場合は、別紙追加用紙へ）

responses

概要 （600 字～800 字程度にまとめてください。）
細胞の自律運動や動作原理の理解は基礎科学から医学などの人間社会への応用にまでわたる大きな目標の一つである。本研究では、マイクロ流体デバイスと独自のフィードバック流体制御システムを組み合わせて真核細胞の変形を精密に制御することで、新奇な自律的な変形応答や力学特性の解明と制御を目指した。
まずは、細胞の振る舞いを精密に抽出することを目指し、測定装置と測定機構の開発を行った。代表者らがこれまでに取り組んできた無核の赤血球細胞の力学特性測定機構を発展させ、真核細胞の形状やサイズ、硬さ、細胞核の存在を考慮した狭窄部をもつマイクロ流路を作製した。特に、狭窄部入口と出口にテーパー構造を設けて硬い真核細胞に対しても安定して変形を課した点、狭窄部を細胞核の直径よりも狭い幅で作製することにより細胞膜や細胞質だけでなく細胞核にも変形を課した点が、従来の赤血球細胞の研究とは異なる大きな特徴となっている。次に、このマイクロ流路に対し、ハイスピードカメラとピエゾアクチュエータを用いたオンチップフィードバック位置制御システムを組み合わせて、狭窄部での滞在時間（すなわち変形の継続時間）を実験パラメータとして制御した。
1 秒〜10 秒オーダーの変形を課した後に解放した場合には、ともに 1 秒オーダーの形状緩和が観察された。一方、
100 秒オーダーの変形を課した後に解放した場合には、さらに長い 10 秒オーダーでの形状緩和が観察された。また、
バネ・ダンパの 4 要素粘弾性模型を用いた解析により、赤血球の場合と比較して真核細胞の変形や形状緩和に対しては、弾性の寄与に比べて粘性の寄与が非常に大きいこともわかった。細胞核のサイズと狭窄部幅や緩和形状の関係から、細胞核の変形は初期の速い弾性応答で緩和し、その後の遅い粘弾性緩和は細胞膜や細胞質の応答の可能性が示唆された。本成果は、国際会議 MicroTAS2019 （Basel, Switzerland）で発表し、紀要論文が公表された。

- 1 -発表文献 （この研究を発表した雑誌・図書について記入してください。）
論文課題

On-chip deformability measurement of eukaryotic cells: comparison to anucleate cells

著者名

H. Ito, K. Fujimoto,
M. Kaneko

雑誌名MicroTAS2019 (国際会議紀要）ページ

530～531

発行年

2雑誌

019巻号

-論文課題On-chip cell manipulation and applications to deformability measurements

著者名

H. Ito, M. Kaneko

雑誌名ROBOMECH Journal

ページ

3:1～11

発行年

2

雑誌

20巻号

7

論文課題

Fabrication of microparticles with front-back asymmetric shapes using anisotropic
gelation

著者名

D.
Lee,
H.
Kitahata, H. Ito

雑誌名Micromachinesページ

1121:1～11

発行年

2

雑誌

002

1巻号

12

書名
図書

著者名
出版社

発行年

総ﾍﾟｰｼﾞ

発行年

総ﾍﾟｰｼﾞ

書名
図書

著者名
出版社

英文抄録 （100 語～200 語程度にまとめてください。）
Understanding the physical principle of the autonomous motion of a living cell is one of the interesting
topic ranging from fundamental science to various social applications. In this study, we tried to extract
the mechanical properties of the cellular autonomous deformability by combining a microfluidic device
and a feedback flow control system.
First, we designed the measurement mechanism using a microfluidic device and fabricated a microfluidic
channel to apply a deformation stress to a single eukaryotic cell. The microchannel has a narrow
constriction, at which the cell experiences the squeezing deformation. Note that the width is narrower
than the diameter of the cell nucleus. We controlled the cell position in the microchannel using a
feedback pressure control system composed of a high-speed camera and a piezoelectric actuator. With
this system, we controlled the time period of the cell deformation, and measured the viscoelastic
responses after a specified-time loading.
The deformed shape recovered within the order of 1 second in the case of the squeezing deformationfor 1-10 seconds, while it recovered in 10 seconds or longer in the case of the deformation for 100seconds. We quantified the relationships between viscoelastic parameters using four-element
viscoelastic model, and found that the contribution of viscosity is much larger than that of elasticity
in eukaryotic cells. From the shape relaxation, the nucleus size, and the width of the constriction,
it was also suggested that deformation of the nucleus rapidly relaxed and that of the cytoplasm andthe cell membrane slowly relaxed.

- 2 -研究代表者名

伊藤 弘明

（漢字）

共同研究者
氏
名

（カタカナ）（英文）所属機関・職名（漢字）
氏
名（カタカナ）（英文）所属機関・職名（漢字）
氏
名（カタカナ）（英文）所属機関・職名（漢字）
氏
名（カタカナ）（英文）所属機関・職名（漢字）
氏
名（カタカナ）（英文）所属機関・職名（漢字）
氏
名（カタカナ）（英文）所属機関・職名
（漢字）
氏
名

（カタカナ）（英文）所属機関・職名（漢字）
氏
名（カタカナ）（英文）所属機関・職名- 3 -