On-chip heart construction by 3D cell patterning

• Project/Area Number: 20H02596
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 28050:Nano/micro-systems-related
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 田中 陽 国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, チームリーダー (40532271)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Declined (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000); Fiscal Year 2023: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2022: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2021: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2020: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000)
• Keywords: 心臓 / 3次元パターニング / 心筋細胞 / 薬剤試験 / オルガノイド

Outline of Research at the Start

臓器や細胞の複雑な構造や機能の再構成は、生物学・医学のみならず、創薬や再生医療に向けても近年その重要性を増している。だが、従来の研究はデバイス中に2次元的に細胞を並べるだけで、その機能を再現しているとは言い難かった。本研究では心臓を例にとり、心筋細胞がどのようにブリッジや中空の構造を形成しているかも力学的機序を明らかにして微細デバイス内に立体的に配置・制御し、その収縮力によるポンプ機能と自己還流機能を備え、薬剤試験や再生医療に応用しうるオンチップ心臓を作ることを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

臓器や細胞の複雑な構造や機能の再構成は、生物学・医学などの分野のみならず、創薬や再生医療に向けても近年その重要性を増している。だが、従来の研究はデバイス中に2次元的に細胞を並べるだけで、その機能を再現しているとは言い難かった。本研究では心臓を例にとり、心筋細胞がどのようにブリッジや中空の構造を形成しているかも力学的機序を明らかにして微細デバイス内に立体的に配置・制御し、その収縮力によるポンプ機能と自己還流機能を備え、薬剤試験や再生医療に応用しうるオンチップ心臓を作ることを目指す。
当該年度は、昨年度までに確立した心筋デバイスの基礎的な機能の検証とその医学応用に向けた実証実験の結果を踏まえ、これを実際に埋め込みデバイス等に用いる際に問題となる電源の問題を解決するため、人の動作で発電が可能な環境発電機の作製について検討を行った。具体的には、人のゆっくりした低周波の動きで発電を可能とするため、水の解離現象を利用し、ガラスの微細流路に水を流すことでイオンの分離を起こし、これによって発電するような小型のデバイスを開発し、数mWレベルの発電や無線通信が可能なことを示した。これは、外部との通信により、埋め込みデバイスの操作や体の状態のフィードバックを得るといった機能を実装することにもつながり、埋め込みデバイスの可能性を大きく拡げたといえる。

Research Progress Status

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Microenvironmental Analysis and Control for Local Cells under Confluent Conditions via a Capillary-Based Microfluidic Device (2022)
  • Author(s): Ota Nobutoshi、Tanaka Nobuyuki、Sato Asako、Shen Yigang、Yalikun Yaxiaer、Tanaka Yo
  • Journal Title: Analytical Chemistry Volume: 94 Issue: 47 Pages: 16299-16307
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.2c02815
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A pressure driven electric energy generator exploiting a micro- to nano-scale glass porous filter with ion flow originating from water (2022)
  • Author(s): Yo Tanaka, Satoshi Amaya, Shun-ichi Funano, Hisashi Sugawa, Wataru Nagafuchi, Yuri Ito, Yusufu Aishan, Xun Liu, Norihiro Kamamichi, Yaxiaer Yalikun
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Issue: 1 Pages: 16827-16827
  • DOI: 10.1038/s41598-022-21069-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A simple and reversible glass-glass bonding method to construct a microfluidic device and its application for cell recovery (2021)
  • Author(s): Shun-ichi Funano, Nobutoshi Ota, Yo Tanaka
  • Journal Title: Lab on a Chip Volume: 21 Issue: 11 Pages: 2244-2254
  • DOI: 10.1039/d1lc00058f
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Nanofluidic devices and applications for biological analyses (2021)
  • Author(s): Koki Yamamoto, Nobutoshi Ota, Yo Tanaka
  • Journal Title: Analytical Chemistry Volume: 93 Issue: 1 Pages: 332-349
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.0c03868
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Establishment of a heart-on-a-chip microdevice based on human iPS cells for the evaluation of human heart tissue function (2020)
  • Author(s): Abulaiti Mosha、Yalikun Yaxiaer、Murata Kozue、Sato Asako、Sami Mustafa M.、Sasaki Yuko、Fujiwara Yasue、Minatoya Kenji、Shiba Yuji、Tanaka Yo、Masumoto Hidetoshi
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Issue: 1 Pages: 19201-19201
  • DOI: 10.1038/s41598-020-76062-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Area cooling enables thermal positioning and manipulation of single cells (2020)
  • Author(s): Shen Yigang、Yalikun Yaxiaer、Aishan Yusufu、Tanaka Nobuyuki、Sato Asako、Tanaka Yo
  • Journal Title: Lab on a Chip Volume: 20 Issue: 20 Pages: 3733-3743
  • DOI: 10.1039/d0lc00523a
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Rapid and easy-to-use ES cell manipulation device with a small groove near culturing wells (2020)
  • Author(s): Funano Shun-ichi、Tone Daisuke、Ukai Hideki、Ueda Hiroki R.、Tanaka Yo
  • Journal Title: BMC Research Notes Volume: 13 Issue: 1 Pages: 453-453
  • DOI: 10.1186/s13104-020-05294-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Remarks] 理化学研究所・集積バイオデバイス研究チームホームページ
  • URL: http://ibd.riken.jp/