イオン輸送係数テンソル計測に基づくマイクロ流路を利用したがん化細胞解析法の確立

• Project/Area Number: 19J00240
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 19010:Fluid engineering-related
• Research Institution: Chiba University
• Principal Investigator: 川嶋 大介 千葉大学, 工学研究院, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2019-04-25 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2020: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2019: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
• Keywords: イオン輸送モデル / 電気トモグラフィ / 異方性 / イオン濃度 / インピーダンス計測 / トモグラフィックセンサ

Outline of Research at the Start

本研究は、細胞内－外液界面のイオン輸送が正常細胞とがん化細胞とで異なるという考えのもと、イオン輸送係数をテンソル計測することでがん化細胞センシング法の確立を目指す。
がん化細胞のイオン輸送係数テンソルは、正常分化細胞のそれと比較してより大きな異方性を有することが予想されるため、本研究では、輸送係数テンソル計測技術の開発と異方性評価によるがん化細胞センシングへの可能性を調査・検証する。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、実施項目として、1)異方性のある拡散場の電気トモグラフィ計測実験、2) 画像再構成法における高時空間分解能な前処理法の検討、3)異方的な拡散場での輸送係数評価について検討した。以下に、各実施項目について詳説する。

1) 前年度作成したPCB基盤型トモグラフィックセンサを利用したイオン輸送の異方性計測実験を実施した。異方的な拡散場を形成するために、センサ上に流路を設け、異なる浸透圧濃度の培地を細胞の両側から送達できるシステムを構成し、細胞外液の浸透圧濃度による細胞内との浸透圧差を利用した細胞スフェロイドから生じるイオン輸送を空間的に変化させることを可能とした。浸透圧濃度は、等張状態、低張状態、高張状態の3種類の組み合わせで行い、各条件における細胞膜上のチャネルタンパク質を介したイオン濃度輸送を計測した。
2) イオン拡散と比較して、1枚の画像再構成に必要な計測データ取得時間が長くなるためデータ前処理として、イオンの拡散方程式を利用したフィルタリング方法を開発した。拡散方程式と実験条件に合わせた境界条件のもと、上記で求めた外液抵抗のデータ補間を行い、擬似的に時間分解能(約0.1sの分解能)を向上させた。この補間した外液抵抗データをもとに画像再構成を行い、異方的なイオン拡散による異方的なイオン濃度分布が可視化された。
3) 2)で可視化されたイオン濃度分布をもとに異方的な拡散場における輸送係数評価を行った。輸送係数評価には、2)と同様にイオンの拡散方程式を考慮し、細胞内から外液へのイオン浸透係数を輸送係数として仮定し、境界条件として設定した。このイオン浸透係数をパラメータとして拡散方程式を解き、可視化されたイオン濃度分布に最も一致するイオン浸透係数を求めた。実験の結果から、等張状態におけるイオン浸透係数が、低張状態、高張状態に比べて低く、有意差が認められた。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Study of transmembrane ion transport under tonicity imbalance using a combination of low frequency-electrical impedance spectroscopy (LF-EIS) and improved ion transport model (2022)
  • Author(s): Li Songshi、Kawashima Daisuke、Sugawara Michiko、Obara Hiromichi、Okeyo Kennedy Omondi、Takei Masahiro
  • Journal Title: Biomedical Physics & Engineering Express Volume: - Issue: 3 Pages: 035024-035024
  • DOI: 10.1088/2057-1976/ac5fc5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Boundary Reflection Derivation Method for Intracellular Structure Change Based on GHz Electrical Impedance Spectroscopy (2021)
  • Author(s): Zhang An、Kawashima Daisuke、Obara Hiromichi、Takei Masahiro
  • Journal Title: IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques Volume: 69 Issue: 11 Pages: 4678-4688
  • DOI: 10.1109/tmtt.2021.3105437
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Concentration profiles of ions and particles under hydrodynamic focusing in Y-shaped square microchannel (2021)
  • Author(s): Sato Norikazu、Kawashima Daisuke、Takei Masahiro
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/s41598-021-82259-4
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Low-frequency Impedance-Based Cell Discrimination considering Ion Transport Model in Cell Suspension (2021)
  • Author(s): Daisuke Kawashima, Songshi Li, Hiromichi Obara, Masahiro Takei
  • Journal Title: IEEE Transactions on Biomedical Engineering Volume: 63 Issue: 3 Pages: 1015-1023
  • DOI: 10.1109/tbme.2020.3002980
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 細胞外液内イオン濃度分布のトモグラフィックイメージングを応用した細胞種の識別 (2022)
  • Author(s): 結城翼, 川嶋大介, 李淞什, 菅原路子, 武居 昌宏
  • Organizer: 日本機械学会 関東支部 第28期総会・講演会
• [Presentation] PCB-EITイメージングを利用した細胞－外液界面近傍のイオン輸送解析 (2021)
  • Author(s): 川嶋大介, 李淞什, 結城翼, 武居昌宏
  • Organizer: 32回バイオフロンティア講演会
• [Presentation] 電気インピーダンス・トモグラフィを利用した細胞膜でイオン輸送異方性の可視化 (2021)
  • Author(s): 李淞什, 川嶋大介, 菅原路子, 武居昌宏
  • Organizer: 第32回バイオフロンティア講演会
• [Presentation] 電気インピーダンストモグラフィを利用した細胞スフェロイド周囲のイオン拡散の定量分析 (2021)
  • Author(s): 川嶋大介, 結城翼, 李淞什, 小原弘道, 武居昌宏
  • Organizer: 可視化シンポジウム2021
• [Presentation] Cell identification based on ion transmembrane transport under tonicity imbalance by low frequency-electrical impedance (2021)
  • Author(s): Songshi Li, Daisuke Kawashima, Michiko Sugawara, Hiromichi Obara, Masahiro Takei
  • Organizer: The 11th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Imaging of ion concentration around cell spheroid by electrical impedance tomography (2021)
  • Author(s): Daisuke Kawashima, Tsubasa Yuki, Songshi Li, hiromichi Obara, Masahiro Takei
  • Organizer: The 11th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 電気インピーダンス計測と畳み込みニューラルネットワークを併用したイースト細胞の死細胞率と体積濃度の可視・定量化 (2021)
  • Author(s): 西林健人, 川嶋 大介, 小原 弘道, 武居 昌宏
  • Organizer: 日本機械学会 関東支部 第27期総会・講演会
• [Presentation] EIT法によるスフェロイド周辺のイオン濃度の時空間分布の可視化 (2021)
  • Author(s): 結城翼, 川嶋 大介, Tran Anh Kiet, 菅原路子, 小原 弘道, 武居 昌宏
  • Organizer: 日本機械学会 関東支部 第27期総会・講演会
• [Presentation] 細胞内外液間のイオン輸送による電気インピーダンス・スペクトル変化を利用した細胞の電気トモグラフィックイメージング (2020)
  • Author(s): 川嶋 大介, 李 淞什, 結城 翼, 小原 弘道, 武居 昌宏
  • Organizer: 日本機械学会 第31回バイオフロンティア講演会
• [Presentation] 単一細胞同定のためのノイズ除去電気インピーダンス分光法（neEIS）システム (2020)
  • Author(s): Tran Anh Kiet, Daisuke Kawashima, Michiko Sugarawa, Hiromichi Obara, Kennedy Omondi Okeyo, Masahiro Takei
  • Organizer: 日本機械学会 第31回バイオフロンティア講演会
• [Presentation] EIT法を利用した細胞周囲のイオン濃度の可視化 (2020)
  • Author(s): 川嶋 大介, 結城 翼, 李 淞什, 小原 弘道, 武居 昌宏
  • Organizer: 可視化情報シンポジウム2020
• [Presentation] 細胞内外液間のイオン輸送による電気インピーダンス・スペクトル変化を利用した細胞センシング (2019)
  • Author(s): 川嶋 大介, 李 淞什, 菅原 路子, 小原 弘道, 武居 昌宏
  • Organizer: 日本機械学会 第32回バイオエンジニアリング講演会
• [Presentation] インピーダンス計測によるイースト細胞の細胞濃度と死細胞率の検出 (2019)
  • Author(s): 西林 健人, 川嶋 大介, Liu Xiayi, 小原 弘道, 武居 昌宏
  • Organizer: 日本機械学会 第32回バイオエンジニアリング講演会
• [Presentation] 細胞スフェロイドの電気特性計測に基づく誘電特性解析 (2019)
  • Author(s): 浅川瑞光, 菅原 路子, 川嶋 大介, 小原 弘道, 武居 昌宏
  • Organizer: 日本機械学会 第32回バイオエンジニアリング講演会
• [Presentation] Visualization of Dead Cell Ratio in Inhomogeneous Cell Volume Fraction Field by Electrical Impedance Spectro-Tomography (2019)
  • Author(s): Daisuke Kawashima, Kento Nishibayashi, Hiromichi Obara, Masahiro Takei
  • Organizer: 10th Asian-Pacific Conference on Biomechanics (AP Biomech 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Monitoring of Cell’s Properties by using Tiny Sensor based on Electrical Impedance Spectroscopy (2019)
  • Author(s): Kyosuke Ito, Daisuke Kawashima, Masahiro Takei
  • Organizer: 10th Asian-Pacific Conference on Biomechanics (AP Biomech 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cell Type Identification based on Ion Transport through Cell Membrane (2019)
  • Author(s): Songshi Li, Daisuke Kawashima, Michiko Sugawara, Hiromichi Obara, Masahiro Takei
  • Organizer: 10th Asian-Pacific Conference on Biomechanics (AP Biomech 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dead Cell Concentration Imaging in Microchannel by EIT (2019)
  • Author(s): Daisuke Kawashima, Kento Nishibayashi, Hiromichi Obara, Masahiro Takei
  • Organizer: 20th International Conference on Biomedical Applications of Electrical Impedance Tomography
• [Presentation] 電気インピーダンス・スペクトロスコピー法を利用した懸濁液下における細胞から生じるイオン流束の計測 (2019)
  • Author(s): 川嶋 大介, 李 淞什, 菅原 路子, 小原 弘道, 武居 昌宏
  • Organizer: 混相流シンポジウム2019
• [Presentation] 虚部インピーダンス・スペクトルを利用したマイクロ流路内の死細胞センシング (2019)
  • Author(s): 西林 健人, 川嶋 大介, 小原 弘道, 武居 昌宏
  • Organizer: 可視化情報シンポジウム2019
• [Presentation] マイクロチャンネル断面内の虚部インピーダンス変化を利用した死細胞率の可視・定量化 (2019)
  • Author(s): 西林 健人, 川嶋 大介, Liu Xiayi, 小原 弘道, 武居 昌宏
  • Organizer: 第58回 日本生体医工学会大会
• [Patent(Industrial Property Rights)] 細胞イメージング用電気インピーダンス・トモグラフィセンサおよび細胞イメージング装置 (2021)
  • Inventor(s): 武居昌宏，川嶋大介
  • Industrial Property Rights Holder: 武居昌宏，川嶋大介
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2021-143223
  • Filing Date: 2021