| Project/Area Number |
23K23370
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| Project/Area Number (Other) |
22H02102 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 34020:Analytical chemistry-related
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
伊野 浩介 東北大学, 工学研究科, 准教授 (00509739)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000)
Fiscal Year 2024: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2022: ¥8,970,000 (Direct Cost: ¥6,900,000、Indirect Cost: ¥2,070,000)
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| Keywords | 電気化学発光 / 細胞解析 / バイオ分析デバイス / 細胞培養プラットフォーム |
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| Outline of Research at the Start |
R4交付申請書と同じ内容を示す。目的の欄で述べた事を達成するために、本研究では電気化学発光現象に注目した。電気化学発光はルミノフォアを電気化学反応させることで電極近傍を発光させる現象であり、ルミノフォアや共反応物の濃度を計測したり、電極界面の情報を取得できたりする。蛍光と違い励起光が必要ないため高感度であり、1枚の電極で広範囲の電気化学反応を可視化できるため、従来の電気化学測定に比べ、多くのサンプルを計測できる。本研究では、細胞機能・形態を電気化学発光シグナルに変換できるシステムを考案する。これにより、これまで見ることが困難であった細胞機能・形態をラベルフリーで計測できるシステムを完成させる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
国内会議での招待講演3件、国際会議での基調講演1件を含む28件以上の学会発表を行った。また、7報の原著論文（査読あり、英文誌）（学会発表プロシーディングスを除く）、3報の総説（査読あり、英文誌）を発表した。電気化学発光計測を取り扱った学術大会セッションから招待があり、Electrochimica Acta（Elsever）の特別号に原著論文が掲載された。以下に、2023年度の詳細な研究内容を示す。
前年に引き続き、2023年度も細胞機能・細胞形態を電気化学発光シグナルに変換できる機構の考案、電極界面での電気化学発光メカニズムの解明を行った。具体的には、細胞計測における電気化学インピーダンス計測との比較を行い（Electrochemistry、92、022009、2024）、メカニズムに関する考察を行った。この研究により、それぞれの手法における電極界面での電気化学発光と細胞挙動の解析方法の違いを明らかにした。
培養細胞の高さ情報の取得を目指して、電気化学発光層の厚さの制御を行った。具体的には、電気化学発光時間を変化させることで発光物質の拡散量の制御を行い、これにより発光させる箇所の制御できるかを検討した。現在、従来法である走査型プローブ顕微鏡との比較を行っており、今回開発している電気化学発光イメージングとの差別化と住み分けを検討している。
電気化学発光イメージングによる培養細胞の呼吸イメージングを達成していたが、今回はその呼吸活性能力と、血管新生能力の比較を行った（Electrochimica Acta、144291、2024）。これにより、間葉系幹細胞の移植のタイミングに関する指針を示すことができた。
培養細胞の細胞分泌活性の電気化学発光イメージング法を開発した（Electrochimica Acta、458、142507、2023）。これにより、非標識での細胞分泌量の解析手法を提案できた。現在、選択性を向上するための電極修飾方法を検討している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
上記で述べたように、該当年度では電気化学発光計測・電気化学細胞計測に関する研究成果を広く社会に発信した。また、国際会議での基調講演も行っており、このことからも電気化学発光計測に関する活発な国際活動が行われていたと言える。
申請書に記載された細胞機能計測（例：培養細胞の呼吸計測、分泌量計測）や細胞形状イメージング（例：細胞間ジャンクション、バリア機能の可視化）が達成されており、このことから、概ね計画通りに進んでおり、細胞の電気化学発光イメージングデバイスの開発や学理の探求が順調に行われていたと考えている。現在、複数の論文投稿を予定であり、このことからも順調に研究が進んでいることが分かる。また、同一の細胞サンプルの電気化学発光イメージングと電気化学インピーダンス計測を行った内容は、研究は世界で初めて報告された内容であり、該当分野における大きなインパクトがあったと考えている。
現在、申請書に記載した通り、開発した電気化学センシングシステムの細胞培養プラットフォームへの組み込みを実施している。これにより、培養細胞を使った臓器形成における計測ツールとして、開発しているシステムを完成させる予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
上記の検討では、細胞種はガン細胞や血管内皮細胞を使用しており、ガンや血管モデルの応用を検討していた。応用の幅を広げるため、他の臓器モデルへの展開を検討する。例えば、腸モデルへの応用を考え、ヒト結腸腺癌細胞であるCaco-2を用いた計測を行う。さらに、iPS由来の腸細胞を用いることで、ヒト臓器を再現した生体摸倣システム（MPS）を構築し、創薬開発におけるバイオセンシングシステムとして本研究を完成させる。MPSへの展開を検討することで、電気化学発光イメージングの適応範囲が広がり、また新薬開発におけるin vitro細胞計測における一般化が進むことを期待している。
研究をさらに進めるために、バイオ関連物質の電気化学発光イメージングを行っている国内の研究者と連携をとり、また将来的な研究プロジェクトへの応募を検討する予定である。得られた研究成果を国内外で発表予定であり（ケミナス（東京、仙台）、分析化学会大会（京都）、IEEE NEMS 2024（京都）、MPS World Summit 2024（アメリカ）、MicroTAS 2024（カナダ）、PRiME 2024（アメリカ）、International Society of Electrochemistry 2024（カナダ）など）、電気化学発光の研究に関するネットワークを強固にするとともに、該当分野の啓蒙を行う。
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