物理的刺激による多能性幹細胞の精密分化制御法に関する基礎的研究

• Project/Area Number: 13J04923
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Biomedical engineering/Biological material science
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 榛葉 健太 東京大学, 新領域創成科学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥3,000,000 (Direct Cost: ¥3,000,000); Fiscal Year 2015: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2014: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2013: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: iPS細胞 / 電気刺激 / 微細加工

Outline of Annual Research Achievements

再生医療の実用化において，効率が良く，コストが低い分化誘導法の確立は不可欠である．従来手法では複数の分化誘導因子を組み合わせて用いるが，効率およびコストの両面から改善が求められている．以上の背景を基に，電気刺激などの物理的な刺激による分化制御法の確立を目指すのが本研究の立場である．計画最終年度にあたる本年度は，未分化状態のiPS細胞の電気刺激実験，およびヒトiPS細胞由来神経細胞の成熟過程の評価を行った．
基板上でヒトiPS細胞を培養し，電気刺激を印加したところ，刺激に対する短期的応答として細胞内Ｃａ2+濃度の上昇が起こることを発見した．さらに，細胞外液を変化させた実験，および薬理実験より，電気刺激によるiPS細胞の細胞内Ca2+濃度の上昇は，刺激がトリガーとなり，細胞外のCa2+が細胞内に流入し誘発されること，およびT型Ca2+チャネルは関与しないことが示された．次に，3日間持続的に刺激を続けることにより，ヒトiPS細胞の遺伝子発現量の変化が起こることを示す結果が得られた．以上から，電気刺激が未分化状態のヒトiPS細胞の分化方向に影響を与えることが示唆された．
分化誘導した細胞が神経細胞としての機能を獲得したことを確認するため，微小電極アレイ法による活動計測を行った．分化誘導を行ってから50日目から，10日ごとに計測を行った．結果，ヒトiPS細胞由来神経細胞が分化誘導操作を行ってから，およそ90日後から神経回路網を形成したことが示された．さらに，活動パターンの変化は300日目程度まで持続することが示された．

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Experimental evaluation of activity-dependent changes in axonal conduction delay using a microtunnel device (2016)
  • Author(s): Kenta Shimba, Koji Sakai, Kiyoshi Kotani, Yasuhiko Jimbo
  • Journal Title: Nonlinear Theory and Its Applications, IEICE Volume: 7 Issue: 2 Pages: 76-85
  • DOI: 10.1587/nolta.7.76
  • NAID: 130005142591
  • ISSN: 2185-4106
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Recording axonal conduction to evaluate the integration of pluripotent cell-derived neurons into a neuronal network (2015)
  • Author(s): Kenta Shimba, Koji Sakai, Yuzo Takayama, Kiyoshi Kotani, Yasuhiko Jimbo
  • Journal Title: Biomedical Microdevices Volume: 17 Issue: 5 Pages: 94-94
  • DOI: 10.1007/s10544-015-9997-y
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 微細加工を用いた副交感神経細胞－心筋細胞共培養系の構築 (2015)
  • Author(s): 大岩孝輔，榛葉健太，沼田崇志，武内彬正，小谷潔，神保泰彦
  • Journal Title: 電気学会論文誌C Volume: 印刷中
  • NAID: 130005086253
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Axonal conduction slowing induced by spontaneous bursting activity in cortical neurons cultured in a microtunnel device (2015)
  • Author(s): Kenta Shimba, Koji Sakai, Takuya Isomura, Kiyoshi Kotani and Yasuhiko Jimbo
  • Journal Title: Integrative Biology Volume: 7 Issue: 1 Pages: 64-72
  • DOI: 10.1039/c4ib00223g
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Neuron-Oligodendrocyte Co-culture Device for Measuring Action Potential Conduction Velocity (2014)
  • Author(s): 酒井洸児，榛葉健太，有松和之，小谷潔，神保泰彦
  • Journal Title: IEEJ Transactions on Electronics, Information and Systems Volume: 134 Issue: 8 Pages: 1056-1063
  • DOI: 10.1541/ieejeiss.134.1056
  • NAID: 130004678011
  • ISSN: 0385-4221, 1348-8155
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Serotonergic Modulation of Activity Pattern on Neuronal Network (2013)
  • Author(s): 榛葉健太, 有松和之, 磯村拓哉, 武内彬正, 小谷潔, 神保泰彦
  • Journal Title: IEEJ Transactions on Electronics, Information and Systems Volume: 133 Issue: 9 Pages: 1814-1819
  • DOI: 10.1541/ieejeiss.133.1814
  • NAID: 10031193724
  • ISSN: 0385-4221, 1348-8155
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Neuron Type Sorting Based on Connection-strength Estimation (2013)
  • Author(s): 磯村拓哉, 武内彬正, 榛葉健太, 小谷潔, 神保泰彦
  • Journal Title: IEEJ Transactions on Electronics, Information and Systems Volume: 133 Issue: 9 Pages: 1806-1813
  • DOI: 10.1541/ieejeiss.133.1806
  • NAID: 10031193723
  • ISSN: 0385-4221, 1348-8155
  • Peer Reviewed
• [Presentation] マウスiPS細胞由来神経細胞とホスト神経回路網のin vitro結合過程評価 (2016)
  • Author(s): 榛葉健太，Wu Liu-Yi，飯田尚子，酒井洸児，小谷潔，神保泰彦
  • Organizer: 第15回日本再生医療学会総会
  • Place of Presentation: 大阪府大阪市 大阪国際会議場
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] Maturation process of human iPS cell-derived neurons monitored by a microtunnel-electrode configuration (2015)
  • Author(s): 榛葉健太, 飯田尚子, 酒井洸児, 小谷潔, 神保泰彦
  • Organizer: ライフエンジニアリング部門シンポジウム2015
  • Place of Presentation: 福岡県飯塚市 九州工業大学
  • Year and Date: 2015-09-02
• [Presentation] In vitro monitoring of human iPS cell-derived neuron growth with a microfabricated device (2015)
  • Author(s): Kenta Shimba, Shoko Iida, Yukimi Tanaka, Koji Sakai, Kiyoshi Kotani, Yasuhiko Jimbo
  • Organizer: ISSCR 2015 annual meeting
  • Place of Presentation: Stockholm, Sweden
  • Year and Date: 2015-06-25
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ヒトiPS細胞の自発Ｃａ振動の評価 (2015)
  • Author(s): 榛葉健太，飯田尚子，田中幸美，小谷潔，神保泰彦
  • Organizer: 第14回日本再生医療学会総会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜，神奈川
  • Year and Date: 2015-03-21
• [Presentation] 培養神経細胞の成熟過程における活動伝導の変化 (2014)
  • Author(s): 榛葉健太，酒井洸児，小谷潔，神保泰彦
  • Organizer: 平成26年電気学会 電子・情報・システム部門大会
  • Place of Presentation: 島根大学，島根
  • Year and Date: 2014-09-05
• [Presentation] Axonal conduction between P19 cell-derived and primary cultured neurons in microfabricated chamber (2014)
  • Author(s): Kenta Shimba, Koji Sakai, Yuzo Takayama, Kiyoshi Kotani and Yasuhiko Jimbo
  • Organizer: The 9th Forum of European Neuroscience
  • Place of Presentation: Milan, Italy
  • Year and Date: 2014-07-06
• [Presentation] Changes of Axonal Conduction in Bursting Activity (2014)
  • Author(s): Kenta Shimba, Koji Sakai, Kiyoshi Kotani and Yasuhiko Jimbo
  • Organizer: 9th international Meeting on Substrate-Integrated Microelectrodes(MEA meeting 2014)
  • Place of Presentation: Reutlingen, Germany
  • Year and Date: 2014-07-02
• [Presentation] マイクロ培養デバイスを用いた幹細胞の神経分化・成熟過程の評価 (2014)
  • Author(s): 榛葉健太, 酒井洸児, 高山祐三, 小谷潔, 神保泰彦
  • Organizer: 2014年度精密工学会春季大会学術講演会
  • Place of Presentation: 東京大学(東京都文京区)
  • Year and Date: 2014-03-18
• [Presentation] Long Term Observation of Propagating Action Potential along the Axon in a Microtunnel Device (2013)
  • Author(s): Kenta Shimba, Koji Sakai, Kazuyuki Arimatsu, Kiyoshi Kotani, Yasuhiko Jimbo
  • Organizer: 2013 6th International IEEE/EMBS Conference on Neural Engineerin (NER)
  • Place of Presentation: San Diego, USA
  • Year and Date: 2013-11-07
• [Presentation] 初代培養―幹細胞由来神経細胞間における信号伝搬の評価 (2013)
  • Author(s): 榛葉健太, 酒井洸児, 有松和之, 高山祐三, 小谷潔, 神保泰彦
  • Organizer: 平成25年電気学会 電子・情報・システム部門大会
  • Place of Presentation: 北見工業大学(北海道北見市)
  • Year and Date: 2013-09-04
• [Presentation] Bidirectional Synaptic Connection between Primary and Stem Cell-Derived Neurons in Co-culture Device (2013)
  • Author(s): Kenta Shimba, Atsushi Saito, Akimasa Takeuchi, Kiyoshi Kotani, Yasuhiko Jimbo
  • Organizer: 35th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Societ (EMBC'13)
  • Place of Presentation: Osaka International Convention Center, Osaka, Japan