新开发的利用光评估细胞收缩力的方法-轻松确定平滑肌细胞类型的技术-

演示要点

·开发了一种利用光评估细胞产生的收缩力的新方法
·区分病变部位和正常部位的血管平滑肌细胞类型
·有望应用于药物发现和开发过程中的技术

摘要

　此次，V体育的杉田修副教授、松本武雄教授（现名古屋大学）、V体育机电工程系研究生中村雅典教授、同系研究生保崎正敏以及水谷绘里（当时是产业战略工程系研究生）开发了一种利用光评估细胞产生的收缩力的新方法。

图1血管平滑肌细胞的明场图像（左）和延迟图像（右）

　细胞内部有一种类似肌肉的纤维结构，它收缩以移动和拉动周围的物质。特别是血管内的平滑肌细胞沿周向排列较长，具有通过自身收缩来调节血管直径、改变血管阻力、改变血压的功能。这种血管平滑肌细胞类型（表型）^*1)在正常血管中是收缩力大的“收缩型”，但在病变血管中是收缩力低的“合成型”。
　在这项研究中，我们开发了一种可以使用偏振光评估该细胞收缩力的方法。在机械工程学中，有一种称为光弹性法（详细信息请参见[研究内容和结果]）的方法，该方法利用取决于双折射量的相位差（延迟）来评估透明物体内部的力状态。在这项研究中，我们将这种光弹性方法应用于细胞。用收缩药物和松弛药物处理的细胞的延迟分别增加和减少，并且使用常规收缩力测量方法测量的细胞收缩力越大，在同一细胞中测得的延迟越大，表明该方法能够评估收缩力的增加和减少。此外，收缩型血管平滑肌细胞的延迟大于合成型，表明该方法可用于轻松评估细胞表型的可能性。
　该方法是用显微镜观察接种在玻璃上的细胞的简单方法，并且即使在细胞彼此附着的状态下（例如在细胞片中）也可以使用牵引力显微镜的传统方法进行测量^*2不同，它具有不依赖于基材的弹性模量的优点。
　该研究成果于2019年3月8日（英国时间）在线发表在学术期刊Scientific Reports上（“")．

研究背景

　细胞内部有类似肌肉的纤维结构。通过收缩，细胞改变自己的形状、移动并拉动周围的材料。特别是，存在于主动脉中的血管平滑肌细胞的长轴朝向血管周向，具有通过自身收缩来调整血管直径、改变血管阻力、改变血压的功能。这种血管平滑肌细胞类型（表型）^*1)是“收缩型”，正常血管组织收缩力较大，而动脉硬化¹⁾和高血压²⁾，主动脉瘤³⁾等是收缩力较低的“合成类型”，收缩力被认为是细胞健康的指标。
　牵引力显微镜是测量细胞收缩力的传统方法，其中将细胞接种在已知硬度的软基质上，并根据基质的变形量测量力。^*2''就是一个典型的例子。然而，为了用该方法测量基底的变形量，基底必须足够软，并且变形量小并且难以在体内环境的硬度下测量。另外，由于力是根据基板的变形量来测量的，因此当细胞彼此附着并沿相反方向拉动基板直至变形消失时，很难测量力。此外，还需要复杂的方法，例如将珠子埋在凝胶中。
1) Kocher, O 和 Gabbiani, G 正常和动脉粥样化人类动脉平滑肌细胞的细胞骨架特征。哼。病理学。 17, 875-880 (1986)。
2) Régent, A 等人。生理条件和肺动脉高压中血管平滑肌细胞的蛋白质组学分析：收缩表型与合成表型。蛋白质组学 16, 2637-2649 (2016)。
3) 中岛，N,长宏，S,佐野，T,Satomi, J 和 Satoh, K 人脑动脉瘤壁平滑肌细胞的表型调节。神经病理学报。 （贝尔）。 100, 475-480 (2000)

研究内容/结果

　在机械工程中，有一种历史悠久的方法，称为光弹性方法，用于测量透明物体内部的力状态。通常，光在各个方向上具有振动平面，但线偏振光仅在一个方向上具有振动平面。折射率随方向不同而不同的“双折射材料”^*3上的情况。折射率是光在材料中的速度与光在真空中的速度的比值，因此两种偏振光在材料中的通过速度不同。换句话说，沿较高折射率方向的偏振光在材料中传播缓慢，而沿较低折射率方向的偏振光传播较快。因此，从双折射材料发出的两束偏振光之间会产生相位差（延迟）（图2）。当物体受到拉力而成为双折射物质时，拉力越大，延迟也越大，因此可以通过延迟来评价力的大小。

图 2 折射材料引起的延迟。由于张力导致折射率沿 x 方向增加，因此振动平面位于 xz 平面的偏振光（橙色）会缓慢地穿过材料。另一方面，振动平面位于 yz 平面的偏振光（浅绿色）传播得相对较快。因此，从材料发出的光之间存在相位差（延迟）。

^*4的延迟大细胞和传代次数少的细胞被认为更具收缩性。结果，收缩型的延迟显着高于合成型，表明该方法可用于轻松评估细胞表型的可能性。

图3 施用收缩剂（Calyculin A）和松弛剂（Y-27632）之前（左）和施用后50分钟（右）血管平滑肌细胞的延迟图像

社会意义

　利用该收缩力评估方法，可以容易地评估在玻璃表面上培养的细胞的收缩力，因此可以容易地检测血管平滑肌细胞的收缩力的变化。据报道，血管平滑肌细胞在动脉硬化、高血压和主动脉瘤领域具有“合成型”表型，在正常血管中具有“收缩型”表型，因此我们希望这将应用于药物发现和开发的工具，例如研究药物对细胞的作用。此外，近年来，人们知道外力作用于生物体，并且细胞由于外力而改变其反应，并且开始阐明其背后的机制。人们认为该方法对于此类阐明是有用的。

未来展望

　预计将开发基于组织的评估方法，例如评估实际病变的收缩力。此外，有必要阐明通过延迟来评估收缩力的机制并定量评估收缩力。

术语表

＊1表型
细胞会根据环境等改变蛋白质表达的类型和量，并改变其特性和功能，而这是表现出这些特性的形式。血管平滑肌细胞有两种类型：合成型，提高蛋白质合成和细胞增殖；收缩型，提高收缩能力。
＊2 牵引力显微镜
一种测量细胞产生的收缩力的方法。该方法包括将细胞接种到凝胶等软基质上，并测量“牵引力”，该“牵引力”会因细胞产生的收缩力而导致基质变形。将诸如荧光珠之类的标记嵌入已知硬度的基板中，根据标记的移动量测量位移，并通过考虑基板的硬度来测量基板中产生的应力（每单位面积的力）。该牵引力与细胞的收缩力平衡，因此可以测量细胞的收缩力。
＊3双折射材料
折射率随方向不同而不同的物质。具有多个折射率的物质。
＊4 通道号
在实验室中使用培养皿培养细胞时，细胞会随着时间的推移而增殖并逐渐充满培养皿的底部。因此，我们使用试剂将细胞从底部剥离以稀释密度并将其转移到新的培养皿中。这个过程称为通道，通道的数量称为通道数。

论文信息

论文标题：基于光弹性的细胞收缩力评估，用于血管平滑肌细胞的表型区分
作者姓名：Shukei Sugita、Eri Mizutani、Masatoshi Hozaki、Masanori Nakamura 和 Takeo Matsumoto
出版杂志名称：Scientific Reports
发布日期：2019/3/8 上午 10 点（英国时间）
：101038/s41598-019-40578-7

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