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2017 Fiscal Year Annual Research Report

Expression of an artificial action potential and its application to screening devices for drug side effects

Research Project

Project/Area Number 15H03822
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

平野 愛弓  東北大学, 材料科学高等研究所, 教授 (80339241)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 山本 英明  東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (10552036)
馬 騰  東北大学, 材料科学高等研究所, 助教 (10734543)
但木 大介  東北大学, 電気通信研究所, 助教 (30794226)
Project Period (FY) 2015-04-01 – 2018-03-31
Keywordsマイクロ・ナノデバイス / ナノバイオ / イオンチャネル / シリコンチップ / 活動電位
Outline of Annual Research Achievements

本研究では,human Ether-a-go-go Related Gene (hERG)チャネルを包埋した安定化脂質二分子膜に基づき,この膜中にさらにNaチャネルを包埋することにより,人工脂質二分子膜における世界初の活動電位の発現と,人工活動電位の変化を指標とする新しい薬物副作用評価法の創案を目指している.人工脂質二分子膜系においては,脂質膜の強度が低いことと,イオンチャネルの包埋確率が低いことが大きな課題となっていた.我々は,初年度のH27年度に,遠心力を負荷することによりチャネル包埋確率およびチャネル電流記録確率を向上できることを見出したが,安定に遠心力を負荷するためには,脂質二分子膜の安定性の更なる向上が必要であることも判明した.そこで,脂質膜の保持体となるシリコンチップの縁部形状をナノ、マイクロレベルで制御するアプローチや,表面修飾による膜安定性の向上に取り組み,フッ素系のシランカップリング剤でチップ表面を修飾することにより,膜安定性を著しく向上できることを見出した(Sci. Rep. (2017)., Langmuir, in press).また,脂質二分子膜中での人工活動電位の記録における最大の課題であった,膜抵抗が高過ぎて電流固定ができず,その結果として電位測定が出来ない点については,遠心力の負荷を調節することにより,薬物を用いることなく膜抵抗の調節が可能であることを見出した.これにより,人工活動電位の記録に向けて,一つのブレークスルーを達成した.この他,ハイスループット測定のためのアレイ測定系の構築とhERGチャネル電流計測に成功しており,人工活動電位に基づくハイスループットスクリーニング系の構築に向け,主要な要素技術を確立することに成功した.

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (46 results)

All 2018 2017 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (7 results) (of which Peer Reviewed: 7 results,  Open Access: 2 results) Presentation (36 results) (of which Int'l Joint Research: 14 results,  Invited: 8 results) Remarks (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Int'l Joint Research] Technical University of Catalunya(スペイン)

    • Country Name
      SPAIN
    • Counterpart Institution
      Technical University of Catalunya
  • [Journal Article] Micro- and nanofabrication methods for ion channel reconstitution in bilayer lipid membranes2018

    • Author(s)
      Daisuke Tadaki, Daichi Yamaura, Kohei Arata, Takeshi Ohori, Teng Ma, Hideaki Yamamoto, Michio Niwano, Ayumi Hirano-Iwata
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 57 Pages: 03EA01-1-6

    • DOI

      10.7567/JJAP.57.03EA01

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Amphiphobic Septa Enhance the Mechanical Stability of Free-Standing Bilayer Lipid Membranes2018

    • Author(s)
      Daichi Yamaura, Daisuke Tadaki, Shun Araki, Miyu Yoshida, Kohei Arata, Takeshi Ohori, Ken-ichi Ishibashi, Miki Kato, Teng Ma, Ryusuke Miyata, Hideaki Yamamoto, Ryugo Tero, Masao Sakuraba, Toshio Ogino, Michio Niwano, Ayumi Hirano-Iwata
    • Journal Title

      Langmuir

      Volume: 印刷中 Pages: 印刷中

    • DOI

      10.1021/acs.langmuir.8b00747

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] In situ modification of cell-culture scaffolds by photocatalysis of visible-light-responsive TiO2 film2018

    • Author(s)
      Sho Kono, Kohei Furusawa, Atsushi Kurotobi, Kohei Hattori, Hideaki Yamamoto, Ayumi Hirano-Iwata, Takashi Tanii
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 57 Pages: 027001-1-5

    • DOI

      10.7567/JJAP.57.027001

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Mechanically stable solventfree lipid bilayers in nano- and micro-tapered apertures for reconstitution of cell-free synthesized hERG channels2017

    • Author(s)
      Daisuke Tadaki, Daichi Yamaura1, Shun Araki, Miyu Yoshida, Kohei Arata, Takeshi Ohori, Ken-ichi Ishibashi, Miki Kato, Teng Ma, Ryusuke Miyata, Yuzuru Tozawa, Hideaki Yamamoto, Michio Niwano, Ayumi Hirano-Iwata
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 7 Pages: 17736-1-10

    • DOI

      10.1038/s41598-017-17905-x

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Formation of Cell Membrane Component Domains in Artificial Lipid Bilayer2017

    • Author(s)
      Ryugo Tero, Kohei Fukumoto, Toshinori Motegi, Miyu Yoshida, Michio Niwano, Ayumi Hirano-Iwata
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 7 Pages: 17905-1-10

    • DOI

      10.1038/s41598-017-18242-9

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Fabrication of Au-Nanoparticle-Embedded Lipid Bilayer Membranes Supported on Solid Substrates2017

    • Author(s)
      Naotoshi Sakaguchi, Yasuo Kimura, Ayumi Hirano-Iwata, Toshio Ogino
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry B

      Volume: 121 Pages: 4474-4481

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.7b00500

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Astrocytes with previous chronic exposure to amyloid beta-peptide fragment suppress excitatory synaptic transmission2017

    • Author(s)
      Hiroyuki Kawano, Kohei Oyabu, Hideaki Yamamoto, Kei Eto, Yuna Adaniya, Kaori Kubota, Takuya Watanabe, Ayumi Hirano-Iwata, Junichi Nabekura, Shutaro Katsurabayashi, Katsunori Iwasaki
    • Journal Title

      Journal of Neurochemistry

      Volume: 143 Pages: 624-634

    • DOI

      10.1111/jnc.14247

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 生体二次元材料・脂質二分子膜に基づくバイオデバイスの創成2018

    • Author(s)
      平野愛弓
    • Organizer
      グラフェンコンソーシアム第16回研究講演会
    • Invited
  • [Presentation] Self-assembled phospholipid bilayer as a drug screening platform for ion channel proteins2018

    • Author(s)
      A. Hirano-Iwata
    • Organizer
      2018 Tohoku-Harvard Workshop
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] PCBM包埋脂質二分子膜への光照射における電流応答II2018

    • Author(s)
      出口貴史, 馬騰, 鹿又健作, 山浦大地, 但木大介, 廣瀬文彦, 平野愛弓
    • Organizer
      第65回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] 接続構造を制御した神経細胞回路ユニットの入出力特性(Ⅱ)2018

    • Author(s)
      早川岳志, 山本英明, 松村亮佑, 平野愛弓
    • Organizer
      第65回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] マイクロパターン表面を用いた単一神経細胞の形態-機能制御2018

    • Author(s)
      山本英明, 松村亮佑, 早川岳志, 桂林秀太郎, 庭野道夫, 平野愛弓
    • Organizer
      第65回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] 微細加工チップ中に形成した脂質二分子膜への無細胞合成イオンチャネルの包埋と薬物副作用の定量2018

    • Author(s)
      加藤美生, 吉田美優, 山浦大地, 荒田航平, 但木大介, 山本英明, 戸澤譲, 庭野道夫, 平野愛弓
    • Organizer
      第65回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] 半導体微細加工に基づく薬物副作用センサの開発2017

    • Author(s)
      平野愛弓
    • Organizer
      電子情報通信学会 電子デバイス(ED)研究会
    • Invited
  • [Presentation] Reconstitution and Recording Ion Channel Activities in Artificially Formed Cell Membranes2017

    • Author(s)
      A. Hirano-Iwata
    • Organizer
      9th International Conference on Molecular Electronics and Bioelectronics (M&BE9)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 半導体微細加工で創る人工細胞膜を用いた薬物副作用センサ2017

    • Author(s)
      平野愛弓
    • Organizer
      Nanion・東京女子医大 イオンチャネルフォーラム2017
    • Invited
  • [Presentation] 半導体微細加工で創る薬物副作用センサ2017

    • Author(s)
      平野愛弓
    • Organizer
      イオンチャネル研究会~チャネル七夕~
    • Invited
  • [Presentation] 半導体微細加工で創る薬物副作用センサ2017

    • Author(s)
      平野愛弓
    • Organizer
      REDEEMシンポジウム
    • Invited
  • [Presentation] 人工細胞膜に基づく薬物副作用センサ2017

    • Author(s)
      平野愛弓
    • Organizer
      第21回次世代医工学研究会
    • Invited
  • [Presentation] Reconstitution of Ion Channel Functions in Artificially Formed Cell Membranes2017

    • Author(s)
      A. Hirano-Iwata
    • Organizer
      5th Ito International Research Conference, RIKEN Contennial Anniversary, ISSP International workshop & Surface and Interface Spectroscopy 2017 (IIRC5)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 自己組織化単分子膜による自立型脂質二分子膜の膜特性制御2017

    • Author(s)
      山浦大地, 但木大介, 荒木駿, 吉田美優, 荒田航平, 大堀健, 山本英明, 庭野道夫, 平野愛弓
    • Organizer
      電子情報通信学会 電子デバイス(ED)研究会
  • [Presentation] 安定な人工脂質二分子膜形成のためのテーパー構造を有した微細孔をもつ半導体シリコンチップの作製2017

    • Author(s)
      但木大介,山浦大地,荒木 駿,吉田美優,荒田航平,大堀 健,山本英明,庭野道夫,平野愛弓
    • Organizer
      電子情報通信学会 電子デバイス(ED)研究会
  • [Presentation] Solution-processed perovskite film for photovoltaic applications2017

    • Author(s)
      Teng Ma, Daisuke Tadaki, Michio Niwano, Ayumi Hirano-Iwata
    • Organizer
      電子情報通信学会 電子デバイス(ED)研究会
  • [Presentation] ナノ・マイクロ構造制御に基づく人工細胞膜の安定化2017

    • Author(s)
      平野愛弓,但木大介,大堀 健,荒田航平,馬 騰,山本英明,庭野道夫
    • Organizer
      第37回表面科学学術講演大会
  • [Presentation] 可視光応答酸化チタンの光触媒作用を活用した液中表面改質と細胞パターニング2017

    • Author(s)
      河野 翔,黒飛 敦,服部晃平,山本英明,平野愛弓,谷井孝至
    • Organizer
      第37回表面科学学術講演大会
  • [Presentation] マイクロコンタクトプリンティング法による生体分子パターニングと培養神経回路の構造制御2017

    • Author(s)
      山本英明, 松村亮佑, 井手克哉, 早川岳志, 脇村 桂, 庭野道夫, 平野愛弓
    • Organizer
      第78回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] 生体分子パターンの形状による神経細胞回路のモジュール間相互作用の制御2017

    • Author(s)
      井手克哉, 山本英明, 守谷 哲, 脇村 桂, 谷井孝至, 秋間学尚, 久保田 繁, 佐藤茂雄, 庭野道夫, 平野愛弓
    • Organizer
      第78回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] マルチウェル型チャンバーによる高効率薬物副作用検査系の構築2017

    • Author(s)
      山浦大地, 宮田隆典, 荒木 駿, 但木大介, 山本英明, 平野愛弓
    • Organizer
      第78回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] ITO上PCBMドープ脂質膜の可視光照射による光起電力効果2017

    • Author(s)
      鹿又 健作、長谷山 拓実、平野 愛弓、廣瀬 文彦
    • Organizer
      第78回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] 単分子貼り合わせ法を用いた脂質二分子膜形成時に見られる静電容量値の変化と膜寿命との相関関係2017

    • Author(s)
      高島匠吾, 守屋雅隆, 木村康男, 平野愛弓, 水柿義直
    • Organizer
      第78回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] Frequency-response curves of micropatterned hippocampal neurons: Effect of cell morphology on membrane impedance2017

    • Author(s)
      R. Matsumura, H. Yamamoto, S. Katsurabayashi, M. Niwano, A. Hirano-Iwata
    • Organizer
      2017 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2017)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Engineering modular organization of living neuronal networks by microcontact printed proteins2017

    • Author(s)
      H. Yamamoto, K. Ide, K. Wakimura, T. Tanii, M. Niwano, A. Hirano-Iwata
    • Organizer
      The 8th International Symposium on Surface Science (ISSS-8)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Microfabrication method for investigating ion channel activities2017

    • Author(s)
      A. Hirano-Iwata, D. Tadaki, D. Yamaura, K. Arata, T. Ohori, T. Ma, H. Yamamoto, M. Niwano
    • Organizer
      The 8th International Symposium on Surface Science (ISSS-8)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] PCBM包埋脂質二分子膜への光照射における電流応答I2017

    • Author(s)
      出口貴史, 馬騰, 鹿又健作, 山浦大地, 但木大介, 廣瀬文彦, 平野愛弓
    • Organizer
      応用物理学会東北支部第72回学術講演会
  • [Presentation] Frequency characteristics of morphology controlled neurons on microcontact printed protein patterns2017

    • Author(s)
      R. Matsumura, H. Yamamoto, S. Katsurabayashi, M. Niwano, A. Hirano-Iwata
    • Organizer
      9th International Conference on Molecular Electronics and Bioelectronics (M&BE9)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Fabrication of multidirectional electrical characteristics evaluation system of BLM based on microfabrication2017

    • Author(s)
      T. Ohori, D. Tadaki, H. Yamamoto, M. Niwano, A. Hirano-Iwata
    • Organizer
      9th International Conference on Molecular Electronics and Bioelectronics (M&BE9)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Lipophobic surfaces enhance the stability of suspended lipid bilayers2017

    • Author(s)
      D. Yamaura, D. Tadaki, H. Yamamoto, M. Niwano, A. Hirano-Iwata
    • Organizer
      9th International Conference on Molecular Electronics and Bioelectronics (M&BE9)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Recording activities of cell-free synthesized ion-channels at artificial lipid bilayers formed in microfabricated silicon chips2017

    • Author(s)
      K. Arata, D. Tadaki, H. Yamamoto, Y. Tozawa, M. Niwano, A. Hirano-Iwata
    • Organizer
      9th International Conference on Molecular Electronics and Bioelectronics (M&BE9)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 接続構造を制御した神経細胞回路ユニットの入出力特性2017

    • Author(s)
      早川岳志, 山本英明, 松村亮佑, 平野愛弓
    • Organizer
      第78回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] Functional reconstruction of cell-free synthesized human ion channels in artificial bilayer lipid membranes2017

    • Author(s)
      K. Arata, D. Tadaki, H. Yamamoto, Y. Tozawa, M. Niwano, A. Hirano-Iwata
    • Organizer
      The 8th International Symposium on Surface Science (ISSS-8)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Microfabricated silicon chips for evaluation of multidirectional electrical properties of BLMs2017

    • Author(s)
      T. Ohori, D. Tadaki, H. Yamamoto, M. Niwano, A. Hirano-Iwata
    • Organizer
      The 8th International Symposium on Surface Science (ISSS-8)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Modified aperture surface with self-assembled monolayer enhanced stability of suspended lipid membrane2017

    • Author(s)
      D. Yamaura, D. Tadaki, H. Yamamoto, M. Niwano, A. Hirano-Iwata
    • Organizer
      11th International Symposium on Nanomedicine (ISNM2017)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Spontaneous activity patterns of micropatterned cortical neurons: Dependence on the number of modules2017

    • Author(s)
      K. Ide, H. Yamamoto, K. Wakimura, M. Niwano, A. Hirano-Iwata
    • Organizer
      11th International Symposium on Nanomedicine (ISNM2017)
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] 平野研究室 HIRANO LAB

    • URL

      http://www.riec.tohoku.ac.jp/~hir-lab/

  • [Patent(Industrial Property Rights)] シリコンチップ及びその製造方法2018

    • Inventor(s)
      平野愛弓、但木大介
    • Industrial Property Rights Holder
      平野愛弓、但木大介
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願2018-032551

URL: 

Published: 2018-12-17  

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