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松木翔さん（当時 理工学研究科博士前期課程、現 日本電気株式会社）、守山裕大助教、三井敏之教授（理工学部 物理科学科）らによる論文 "Extracellular stiffness regulates cell fate determination and drives the emergence of evolutionary novelty in teleost heart" が"Proceedings of the National Academy of Sciences（PNAS）"に掲載されました。

【论文タイトル】
Extracellular stiffness regulates cell fate determination and drives the emergence of evolutionary novelty in the teleost heart
【着者】
Sho Matsuki, Yusei Inoue, Ryuta Watanabe, Toshiyuki Mitsui, Yuuta Moriyama
松木翔、井上悠圣、渡辺隆太、叁井敏之、守山裕大
【掲载ジャーナル】
Proceedings of the National Academy of Sciences（PNAS）

研究概要

私たちの心臓は、血液を全身に送り出すために絶えず拍动しています。人间を含む哺乳类や鸟类の心臓は、心房と心室が左右に分かれた２心房?２心室という构造を持ち、肺で酸素を取り込む「肺循环」と、全身に血液を送る「体循环」を明确に分けて制御しています。
一方で、鱼类のような水中で生活をする水栖生物では、このような二重の循环系を持つことができません。鱼は鳃（えら）で酸素を取り込み、そのまま全身へ血液を送るため、酸素交换と体循环が一続きになっています。そのため、心臓から送り出される血液の势いや量を适切に调节する必要があります。この重要な役割を担っているのが、心臓の一部に存在する「动脉球」と呼ばれる组织です。动脉球は、ゴムのように伸び缩みすることで血液の流れを和らげ、拍动による衝撃を吸収する“クッション”として机能しています。
本研究では、ゼブラフィッシュとポリプテルスという熱帯魚を用いて、個体が育つ過程や進化の過程で動脈球がどのように作られるのか、生体組織の「硬さ」に着目して研究しました。そこで、原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscopy, AFM)と呼ばれる装置を用い、心臓組織の硬さを測定しました。AFMは本来、物質の表面を1ナノメートル（1ナノメートルは10億分の1メートル）という極めて小さなスケールで観察し、原子や分子レベルの微細な構造（ナノ構造）を調べるために開発された装置です。金属や半導体、高分子材料などの研究で広く使われてきました。本研究では、この物理学?材料科学の装置を生物の心臓組織の測定に応用しました。使用したのは、青山学院大学で長年物理学研究に貢献され、退官された魚住清彦教授から引き継いだ日本電子社のJEOL-JSPM-4200 AFMと物理科学科所有の島津製作所社のSPM-9700HTです。物質のナノスケール構造を解析するための装置を、生体組織の硬さを測るために活用するという発想は、物理学の蓄積を生命科学へと橋渡しする試みでもあります。
本研究ではAFMを心臓などの生体組織の硬さ測定に応用できるように、AFM探針のカンチレバーを加工し、魚の心臓に対して精密な測定をおこないました。その結果、動脈球における細胞の外側の環境が、心臓の他の部位と比べて非常に柔らかいという、これまでに知られていなかった特徴を発見しました。さらに、この柔らかさは、魚類の進化の過程で新たに獲得されたelastin bという遺伝子によって生み出されていることを明らかにしました。この柔らかい環境があることで、動脈球を構成する細胞群は平滑筋と呼ばれる細胞に変化し、血液の拍動を効率良く受け止める構造が作られていることがわかりました。以上から、本研究では、「生体組織の硬さ?柔らかさ」という物理的な性質が、細胞の種類や臓器の機能、さらには進化そのものを決める重要な要因であることを示しました。
本研究は、遗伝子や形态の観察だけでなく、「力」や「硬さ」といった物理的な性质を测定し、数値として捉えることで生命现象を理解するという、物理科学科ならではのアプローチによって実现した成果です。物理学と生物学を融合させることで、生命の进化や机能の本质に迫る新たな研究领域の広がりを示しています。

本研究課題は、日本学術振興会 科学研究费助成事业 基盤研究（C）（課題番号：20K06773, 25K09730）、青山学院大学统合研究机构の『ミクロとマクロの境界の心臓における発生から修復機能の解明』プロジェクトの支援を受けて実施されました。

今后の展开

本研究は、细胞の性质の决め方や、心臓の构造や进化を理解する新しい视点を提供するものです。生命を考える上で、“生物はどのように进化の过程でさまざまな姿形を示すようになったのか”という生物学の根源的な问いに新たな理解を提供するだけでなく、“どのように细胞を特定の种类へと人為的に変化させるか”という医疗への応用にも繋がる、基础科学から医疗応用まで大きな影响を与えうる成果です。今后は、心臓の形成や进化において组织の硬さが果たす役割を详细に解明すること、また生体组织の硬さが関わっている他の生命现象を同定することで、生命のより深い理解と、さらには人の病気の原因同定や治疗法の探索にも繋がることが期待されます。