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電気化学とOrgan-on-a-chipの融合によるがん腫瘍モデル評価基盤の構築

Research Project

Project/Area Number 20J21401
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Review Section Basic Section 34020:Analytical chemistry-related
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

平本 薫  東北大学, 環境科学研究科, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2020-04-24 – 2023-03-31
Project Status Declined (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥2,800,000 (Direct Cost: ¥2,800,000)
Fiscal Year 2022: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2021: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Keywordsスフェロイド / 呼吸活性 / 電気化学測定 / 電気化学発光
Outline of Research at the Start

Organ-on-a-chipはマイクロ流体デバイス技術を活用して生体外で3次元的な細胞組織を再現する技術であり、薬剤開発や再生医療への応用が期待されている。本研究では電気化学を利用した Organ-on-a-chip の開発に取り組み、がん細胞組織の作製から評価までを行えるマイクロ流体デバイスを構築することを目的とする。マイクロ流体デバイス内に微小電極を組み込み、電気化学計測により細胞の代謝活動や薬剤応答をリアルタイムに評価する。また細胞組織の再現には生体内を模倣した酸素濃度が重要であるため、電気化学反応を利用して流路内に酸素濃度勾配を作製し、細胞の伸長方向制御や機能誘発を行う。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では細胞組織の代謝機能を評価するための電気化学測定システムの開発、ならびに電気化学反応を利用した組織形成の誘導手法を開発することで、測定・評価をオンチップで行えるOrgan-on-a-chipの開発を目指した。前年度は腫瘍組織モデルや創薬開発のための生体試料として応用研究が推進されている三次元培養組織(スフェロイド)を対象として、呼吸活性を測定する電気化学デバイス/電気化学発光システムを開発した。これを踏まえ本年度はさらに生体組織の中での血管機能に注目して、それを評価するための電気化学測定システムの構築を行った。計画時はがん細胞の乳酸産生を測定する予定でいたが、Organ-on-a-chipの構築という目的を鑑み、より組織間・細胞間の相互作用を解析すべく、血管機能の方に焦点を当てた評価系の構築を行った。
1. 血管内皮細胞のシート上にがん細胞スフェロイドを培養する共培養系を構築し、多点電極アレイデバイスを用いてがん細胞の伸展に伴う血管内皮細胞の透過性の評価を行った。
2. 血管新生や血管内皮細胞の機能評価において重要な接着状態やチューブ形成を電気化学発光顕微鏡によってイメージングする手法を開発した。
3. 血管機能の恒常性維持における重要なシグナル因子である一酸化窒素を測定する電気化学デバイスを開発した。一酸化窒素に対して特異的な検出を行うため、無機炭素系触媒を修飾したデバイスを作製し、血管内皮細胞からのnMオーダーの一酸化窒素の産生をモニタリングすることに成功した。投稿準備中。
また、本研究では電気化学的な刺激により細胞組織の形成を誘導することも検討項目においていた。細胞そのものへの刺激と組織形成誘導には至らなかったものの、電気化学反応による細胞組織足場形成の誘導と、その中での血管内皮細胞のチューブ様構造形成について確認することができた。

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。

Report

(2 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (25 results)

All 2022 2021 2020 Other

All Journal Article (11 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 11 results,  Open Access: 4 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results) Remarks (3 results)

  • [Journal Article] Electrochemiluminescence imaging of cellular adhesion in vascular endothelial cells during tube formation on hydrogel scaffolds2022

    • Author(s)
      Ino Kosuke、Komatsu Keika、Hiramoto Kaoru、Utagawa Yoshinobu、Nashimoto Yuji、Shiku Hitoshi
    • Journal Title

      Electrochimica Acta

      Volume: 415 Pages: 140240-140240

    • DOI

      10.1016/j.electacta.2022.140240

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Electrochemical Glue for Binding Chitosan?Alginate Hydrogel Fibers for Cell Culture2022

    • Author(s)
      Utagawa Yoshinobu、Ino Kosuke、Kumagai Tatsuki、Hiramoto Kaoru、Takinoue Masahiro、Nashimoto Yuji、Shiku Hitoshi
    • Journal Title

      Micromachines

      Volume: 13 Issue: 3 Pages: 420-420

    • DOI

      10.3390/mi13030420

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] A Droplet Array Device for Electrochemical Detection of Methylene Blue Based on Local Redox Cycling2021

    • Author(s)
      Kaoru Hiramoto, Keika Komatsu, Yuta Yamada, Yuji Nashimoto, Tomokazu Matsue, Kosuke Ino, Hitoshi Shiku
    • Journal Title

      BUNSEKI KAGAKU

      Volume: 70 Issue: 3 Pages: 183-189

    • DOI

      10.2116/bunsekikagaku.70.183

    • NAID

      130008027524

    • ISSN
      0525-1931
    • Year and Date
      2021-03-05
    • Related Report
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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Electrochemical Imaging of Endothelial Permeability Using a Large-Scale Integration-Based Device2021

    • Author(s)
      Ino Kosuke、Pai Hao-Jen、Hiramoto Kaoru、Utagawa Yoshinobu、Nashimoto Yuji、Shiku Hitoshi
    • Journal Title

      ACS Omega

      Volume: 6 Issue: 51 Pages: 35476-35483

    • DOI

      10.1021/acsomega.1c04931

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      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] In vitro electrochemical assays for vascular cells and organs2021

    • Author(s)
      Utagawa Yoshinobu、Hiramoto Kaoru、Nashimoto Yuji、Ino Kosuke、Shiku Hitoshi
    • Journal Title

      Electrochemical Science Advances

      Volume: N/A Issue: 5

    • DOI

      10.1002/elsa.202100089

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  • [Journal Article] Electrochemiluminescence imaging of respiratory activity of cellular spheroids using sequential potential steps2021

    • Author(s)
      Kaoru Hiramoto, Kosuke Ino, Keika Komatsu, Yuji Nashimoto, Hitoshi Shiku
    • Journal Title

      Biosensors and Bioelectronics

      Volume: 181 Pages: 113123-113123

    • DOI

      10.1016/j.bios.2021.113123

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  • [Journal Article] Electrodeposition of thiolated polymer-based hydrogels via disulfide formation using electrogenerated benzoquinone2021

    • Author(s)
      Kosuke Ino, Ayako Tamura, Kaoru Hiramoto, Mika T. Fukuda, Yuji Nashimoto, Hitoshi Shiku
    • Journal Title

      Chemistry Letters

      Volume: 50 Issue: 2 Pages: 256-259

    • DOI

      10.1246/cl.200732

    • NAID

      130007986388

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Oxygen consumption rate of tumour spheroids during necrotic-like core formation2020

    • Author(s)
      Rei Mukomoto, Yuji Nashimoto, Takato Terai, Takuto Imaizumi, Kaoru Hiramoto, Kosuke Ino, Ryuji Yokokawa, Takashi Miura, Hitoshi Shiku
    • Journal Title

      Analyst

      Volume: 145 Issue: 19 Pages: 6342-6348

    • DOI

      10.1039/d0an00979b

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  • [Journal Article] Fabrication of three-dimensional calcium alginate hydrogels using sacrificial templates of sugar2020

    • Author(s)
      Ino Kosuke、Fukuda Mika T.、Hiramoto Kaoru、Taira Noriko、Nashimoto Yuji、Shiku Hitoshi
    • Journal Title

      Journal of Bioscience and Bioengineering

      Volume: 130 Issue: 5 Pages: 539-544

    • DOI

      10.1016/j.jbiosc.2020.06.014

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  • [Journal Article] Recent Advances in Electrochemiluminescence-Based Systems for Mammalian Cell Analysis2020

    • Author(s)
      Hiramoto Kaoru、Villani Elena、Iwama Tomoki、Komatsu Keika、Inagi Shinsuke、Inoue Kumi、Nashimoto Yuji、Ino Kosuke、Shiku Hitoshi
    • Journal Title

      Micromachines

      Volume: 11 Issue: 5 Pages: 530-530

    • DOI

      10.3390/mi11050530

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Electrochemical measurement of respiratory activity for evaluation of fibroblast spheroids containing endothelial cell networks2020

    • Author(s)
      Kaoru Hiramoto, Hao-Jen Pai, Kosuke Ino, Yuji Nashimoto, Hitoshi Shiku
    • Journal Title

      Electrochimica Acta

      Volume: 340 Pages: 135979-135979

    • DOI

      10.1016/j.electacta.2020.135979

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      2020 Annual Research Report
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  • [Presentation] 電気化学発光による細胞スフェロイドの呼吸活性測定2021

    • Author(s)
      平本薫、伊野浩介、小松慶佳、梨本裕司、珠玖仁
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      第81回分析化学討論会
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  • [Presentation] Fe-N共ドープ炭素触媒を利用したマイクロウェル内の細胞の一酸化窒素生成モニタリング2021

    • Author(s)
      平本薫、岩瀬和至、宇田川喜信、梨本裕司、本間格、伊野浩介、珠玖仁
    • Organizer
      第52回東北電気化学セミコンファレンス・第34回若手の会
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Electrochemiluminescence imaging for high throughput analysis of spheroids2021

    • Author(s)
      Kaoru Hiramoto, Kosuke Ino, Keika Komatsu, Yuji Nashimoto, Hitoshi Shiku
    • Organizer
      18th International Meeting on Chemical Sensors
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      2021 Annual Research Report
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  • [Presentation] Electrochemiluminescence microscopy for imaging of cellular functions2021

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      Kaoru Hiramoto, Kosuke Ino, Keika Komatsu, Yuji Nashimoto, Hitoshi Shiku
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  • [Presentation] High resolution, one-shot imaging of cellular activity of spheroids by oxygen dependent electrochemiluminescence2021

    • Author(s)
      Kaoru Hiramoto, Kosuke Ino, Keika Komatsu, Yuji Nashimoto, Hitoshi Shiku
    • Organizer
      The 25th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences
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  • [Presentation] Potential Step Electrochemiluminescence Imaging of Cellular Activity of Living Spheroids2021

    • Author(s)
      Kaoru Hiramoto, Kosuke Ino, Keika Komatsu, Yuji Nashimoto, Hitoshi Shiku
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      Pittcon 2021
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  • [Presentation] ハイスループットアッセイに向けたスフェロイド呼吸活性の電気化学発光イメージング2021

    • Author(s)
      平本薫、伊野浩介、小松慶佳、梨本裕司、珠玖仁
    • Organizer
      iACEシンポジウム
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  • [Presentation] 電気化学的呼吸測定法による血管様構造を有するスフェロイドの薬効評価2020

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      平本 薫、白皓仁、伊野浩介、梨本裕司、珠玖仁
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      Kaoru Hiramoto, Hao-Jen Pai, Kosuke Ino, Yuji Nashimoto, Hitoshi Shiku
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      71st Annual ISE Meeting Belgrade Online
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  • [Presentation] Electrochemiluminescence Imaging of Cell Spheroid and its Ex Vivo Microenvironment2020

    • Author(s)
      平本薫、伊野浩介、小松慶佳、梨本裕司、珠玖仁
    • Organizer
      第30回 日本MRS年次大会
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  • [Presentation] 電気化学発光を用いた細胞スフェロイドの代謝活性検出2020

    • Author(s)
      平本薫、伊野浩介、小松慶佳、梨本裕司、珠玖仁
    • Organizer
      生体コモンスペース研究会
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      2020 Annual Research Report
  • [Remarks] 東北大、電極反応により酸素濃度を光に変換する技術で細胞組織の酸素呼吸イメージングに成功

    • URL

      https://www.nikkei.com/article/DGXLRSP606637_V10C21A3000000/

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  • [Remarks] 細胞の呼吸を発光として捉える新規イメージング 電極表面の酸素濃度分布を光に変換

    • URL

      https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2021/03/press20210315-02-imaging.html

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      2020 Annual Research Report
  • [Remarks] (2)のグローバルウェブサイト

    • URL

      https://www.tohoku.ac.jp/en/press/novel_imaging_respiratory_activity_3d_tissue.html

    • Related Report
      2020 Annual Research Report

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Published: 2020-07-07   Modified: 2024-03-26  

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