細胞内内部のレレオロジ
ジーと活活きの良良さの測測り方～活ききの良さが細胞の レオロジ
ジー的性質
質を制御す
する～
九州大学 理理学研究院 水野大介

細胞の力学
学特性の重重要性と歴史史（様々な計計測法）
レオロジーは物質質が持つ最も基礎的な性性質であり、工業製品ややハイテク機器、建築築材の機能やや耐久性を評評価するために必ず計測される。幹細胞の分分化[1]や個体体の発生、癌癌の悪性化[2]、老化やや疾病の進行行等々、生命命現象においいても至るところで、細胞や細胞胞集団のレオオロジー的性性質が重要な役割を果果たす。例え
えば、癌の浸浸潤・転移ややその他の疾病が進行行する過程ででは、疾患細細胞が自身とその周辺組織の構造造や力学的性性質を巧妙にに変化させてて生存に都合の良い力力学的環境をを作り出す。
そのため、、癌細胞や腫瘍間質のの力学特性はは、癌の悪性性度を診断すするための指標となる。
私たちの体の基本本的な構成単単位である細細胞の性能やや機能を評価価するために、これまでも様々なな方法で細胞胞のレオロジーを計測することがが試みられててきた。図１
１に 1 部であるが、その例を示すす。一覧を見見て分かるととおり、細外外側から細胞を押したたり・つついいたりしてそその変形を評評価するものが殆どでである。細胞胞の“内側”の力学特性性は計測すすることが難難しく、これれが細胞の理理解に不明な点が残る一つの原因因であった。

図１
１：細胞レオオロジーの様様々な計測法
法
Biomecchanics and bioophysics of canccer cells (2007)よより干渉法による細胞内部ののマイクロレ
レオロジー計
計測
光捕捉とレーザー干そこで最最近我々は、マイクロレオロジーー(MR)と呼ばれる手法を用いて、 細胞内部ののレオロジーを計測している[3]]。MR 計測測とは、プロローブとしてて媒質に導入入した直径約
約 1 μm ほどどのコロイド粒子のブブラウン運動や外力をを加えた際のの応答から、周囲の媒質質の力学特性性（硬さや粘粘性）を計測する手法法である。細胞質中にに埋め込んだだ粒子には、光捕捉(OTT)により外力力を加えることができ、それにに対する応答答をレーザザー干渉法(LLI)により精精密に計測しした。これににより、粒子子周辺の細胞内部空間の硬さや粘性を広いい周波数帯域域(1 mHz － 1 MHz)で知ることがができる。平
平衡状態にある物質ならば、媒質質内部でのブラウン運運動による粒粒子のゆらぎぎの大きさをを観察するこことにより、同様の力学学特性を得ることが可可能である。しかし、細細胞のようにに“生きていいる物質”ででは、ブラウン運動だだけでなく、自分自身がが“力”を生生み出し内部部の環境を乱乱雑にかき混混ぜている。
。その際、導入した粒粒子は細胞自身の生みみ出す“力”によって大大きくゆらぐぐ。そのためめ、粒子が大大きく揺らぐからとい
いって、細胞胞が柔らかい、あるい は、さらさらであるとは言えないい[4]。このこことを逆手に取り、そそのゆらぎの大きさかから細胞の生生み出す“力力”（＝活ききの良さ）やや消費していいるエネル
ギーを定量量することが可能とななる[5, 6](図 3 下) 。
光捕捉(OT)は 19990 年頃に Asshkin らによより発明されれた技術であある。対物レンズを用いて急峻に収束させたレーザ
ザー光の収束束点に屈折率率の高い微細物体を捕捉する。OT によるる微細物体のの捕捉後、試料を透過し試したレーザー光をコンデンサーレンズをを用いて再度度コリメートトさせると、後側焦点面(BFPP)に散乱光と透過光の干干渉パター ンが現れる。この干渉渉パターンは、光捕捕捉された微細物体のの位置に依存存して変化すするために、これをBFP に 4 分分割光ダイオード(QPDD)を設置しして検出すれれば、高い時時空間分解能で微細細物体を精密に追跡でできる(図 2) 。そのためめにこの方法
法はレーザー干渉法法(LI)と呼ばれる。OT
T と LI を用用いる MR 計測は、高い
計
い時空間分解能計測測が可能な点で他の手手法（ビデオ観観察等）に比比べて優位でであり、実用的な性性能を持つ唯一の MR 手法であるると考えていいる[7]。
OT と LLI は、均質質かつ静謐なな媒質中で実実行される必必要があるたために、従来の M
MR 計測も人人工的に合成成・抽出したた試料に使用用が限定されれることが多かったた。他方で、細胞内部部の媒質は分分子サイズののモーターがが生み出

図 2：光捕捉
捉とレーザー干干渉法

す力やその他の代謝謝活動によってかき乱さされ、激しいい細胞質流動動が生じている。そそのために、レーザーーの集光部位位にコロイドドを安定的に光捕捉して力を加ええつつ、レーーザー干渉法
法により揺らぎと応答を計測することが困難難であった。
強力なレーーザー光を用いれば細細胞内で光捕捕捉を行うここと自体は可可能であるが、光化学学的な擾乱ににより周辺のの細胞質が変変性してしまう。またた、強力な光光捕捉は計測測したい粒子子の揺らぎや応答自体体を抑制しててしまう[7]。
そこで我我々は、細胞胞内部の粒子子変位を LI 計測しつつつ、これに基づづいて OT に用いるレにーザー光と 試料を設置置するピエゾステージを Feedback
k 制御するこことで、細胞胞質流動に伴伴う粒子の動きを時々刻々追跡しした。速いがが狭い範囲に留まる揺らぎにはレレーザーが追追随し、遅くくても広い範範囲に渡る揺らぎにははピエゾステテージが追跡跡できる。こうした多重のフィーードバック制制御を行うこことで、初めめて細胞内部部のレオロジー特性と 揺らぎ(活ききの良さ)をを同時に計測測することがが可能になっった。その結結果、細胞内部では熱平衡系ではは必ず成立す
する揺らぎとと力学応答の間の関係(揺動散逸定定理)が、破破れているこことが分かった[3]。ここのスペクトトルの形状をを議論するこことで、細胞胞が生み出す力のスペペクトルが得得られる[5,7-9]。またた、揺動散逸逸定理の破れれ量として、、図の緑の斜斜線部分の面面積を議論することでで、細胞が消消費(散逸)すするエネルギーを定量量することもも期待されてている[6, 10]]。

図 3：フィード
3
ドバック MR((上)、細胞内ににおける揺動動散逸定理のの破れ(下)ガラス形成成物質としての細胞内内部のレオロ
ロジー特性のの理解～活きの良さが細胞質を流動させる[11]～早速各種種の細胞内部の力学特特性の計測をを始めたとこ
ころ、意外なことが分分かった。これまで細胞の力学特特性は主にアアクチン等の細胞骨格格により決定されると考えられててきたが、細細胞内部で観測されたた粘弾性スペクトルはは、細胞骨格格のものとはは本質的に異なっていいた(図 4)。
。むしろ、エマルジョ ンや柔らかかいゲルやコロイド が混み合っった濃厚懸濁濁系(コロイイドガラス)と同じ特徴を示してている。実際
際、細胞の中中身はとてもも混み合ってていて(図5 上)、細細胞骨格は表表皮に主に存存在して細胞胞内 MR にははあまり影響を及ぼさない。逆に、外側から押して計計測する従来
来法では主に細胞骨格格のレオロジーが計測測される。そそこで、細胞胞内における固形物濃濃度を増加させ、混み合いを調節節しながらママイクロレ
オロジー計
計測を行ったところ、粘性が濃度度の指数関数数として上0.5

図４：細胞胞内部の粘弾
弾性 ( iω )0.75
破線は細胞胞骨格のべきき則 ( iω )昇することが分かった。この傾傾向も高分子子溶液・ゲルルの理論モデルでは説説明できず、むしろ、体体積が何倍もも変化できる極めて柔柔らかいコロロイドからななる濃厚懸濁濁系(コロイイドガラス)の振る舞いいに近い[12]。
。しかも、そその振る舞いは細胞種種に依存しなない普遍性をを持っていたた。
そこで、細胞の中中身を取り出出した抽出液液を用意し、細胞骨格と代謝活性性を除去した
た後、その他他の固形物濃濃度を変化させながらそのレオロロジーを計測測した。するると、細胞 内におけるる生理的濃度度(≃300mg/mml)よりも低低い濃度域において、僅かな濃度度の増加に伴伴い粘性率がが急激に(超超指数関数的的に)上昇・発散し、固固化することとが分かった。この抽抽出液の振るる舞いも、ヒヒトもバクテ
テリアも、卵卵細胞も組組織細胞も定定量的に同じじ依存性を示示し、細胞の種類に依依らずない普普遍性を示しした。もし、、生きた細胞胞も抽出液液のように固固化してしままうと、細胞胞内における活動もほほぼ静止しててしまう。必必要な物質をを合成して、必要な場場所に送るこことが出来ななくなる。幸幸いなことに、実際にははこれは起こっていな い訳であるる。
しかしながら、内容容物は全く同同じであるににもかかわららず、生きた細胞内部部が抽出液よより高い濃度度でも流動性性

図 5：細胞内部 の混み合い(上図：Goodseell 2009 よりり)；細胞内部と細胞質の粘性性(下図)；活 きの良さが細胞質を流動化させるを保つことができる理由は何でであろうか？
？
両者のレオロジー特性の相違
違を詳しく解解析した結果
果、我々は、生きた細胞胞と抽出液ののレオロジーに決定的的な違いが生じる原因因が、細胞内内部の掻きままぜにあるとと予測していいる。つまりり、細胞内部の原形質質は、モータータンパク質が生みみ出す力やそその他の代謝謝活動によっって、激しくく掻き乱されている。
。そのために、熱的揺動力のみででは構造緩和和が引き起さされない濃度度においてもも、固化を免れて流動動できる。

この仮説を確認するために、エネルギー源である ATP

G'内部の MR 計測を行った。計測されたずり弾性率の実部の周波数依存性を図 6 に示す。エネルギーが枯渇し、モーター蛋白質による力生成や代謝活動が減退した細胞でATP depleted

G' (Pa)を枯渇させることで細胞の代謝活動を制御しつつ、細胞

G' Untreatedは、低周波数域における弾性プラトーの値(ゴム弾性)が顕著に増大していることが確認できた。これは、予測どおり代謝活動の減退に伴い細胞内部の流動性を保つことが困難になり、細胞内部の環境がガラス化していることを示す。

図 6：2-deoxyglucose および NaN3 の投与により ATP 枯渇させた HeLa 細胞における弾性プラトーの出現

細胞の活きの良さとレオロジー
私たちの身の回りの機械やハイテク製品は、大抵が金属や半導体・プラスチック等の硬い物質からなる。これらの硬い物質は多少周囲の環境が変化してもその性質や働きをあまり変えないために、個々の部品を積み上げて出来上がる機械の働きを予測して設計できる。他方で、私たちの体を形成する細胞内部は、柔らかく形も機能も定まりにくい物質（ゲルやコロイド、脂質膜等のソフトマター）からなる。細胞内部でモーター蛋白質が生み出す程度の僅かな力や相互作用によって、構造の形成や組み換えが進行する柔らかい物質が、細胞内部環境を構成している。これが代謝活動に伴う掻きまぜによって、細胞質のレオロジー的性質が大きく変化する所以である。
こうした柔らかい物質からなるシステムである細胞の内部では、無数の分子機械が働いている。
外部資源を取り込み、細胞内部でそれらを力学的なエネルギーに変換することで分子機械は動かされており、複雑な微細構造を作り上げたり、物質を生産・輸送したりする。今回、こうした代謝活動によって、細胞内部において揺動散逸定理が破れて、レオロジー的性質が顕著に変化することを報告した。しかしながら、その詳細な物理的機構の究明は始まったばかりである。“揺動散逸定理の破れ”としての細胞の“活きの良さ”は、個々の分子機械や代謝活動が生成する揺らぎをミクロンスケールまで“粗視化”して得られた量である。今後、活きの良さとレオロジー特性の密接な関連性の背後に潜む物理法則を探ることが、柔らかい物質からなる非平衡開放系としての細胞内空間のレオロジーを理解することに繋がると信じている。
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