2016 Fiscal Year Annual Research Report
ハイスループット細胞機能発現制御を実現する超並列デジタル細胞処理システムの開発
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15H03901
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| Research Institution | Toyohashi University of Technology |
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Principal Investigator |
柴田 隆行 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10235575)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
沼野 利佳 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30462716)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 細胞機能発現制御 / 細胞処理システム / 細胞内デリバリー / バイオMEMS |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，高度先進医療技術・革新的医薬品開発における次世代産業化のイノベーション創出を支援するキーテクノロジーとして，MEMS技術によって作製した中空構造を有するSiO2製ナノニードルアレイを細胞操作・計測用プローブとして利用した細胞機能発現制御技術の開発を目的として実施した．平成28年度に得られた成果は以下のとおりである．
（1）提案するプロセスによって作製した中空構造を有する段付きナノニードルアレイ（先端外径1μm程度，10×10アレイ）を用いて，AC電場駆動力を利用した蛍光DNAの吐出実験を行い，100本中99本のナノニードルから同時に吐出が可能であることを確認した．（2）自動調心機能付きマイクロチャンバアレイを用いた細胞捕獲実験を行い，細胞懸濁液滴下後20min以内で捕獲率80%以上の細胞が捕獲できることを確認した．また，基礎的検討として，ガラスピペットを用いた細胞膜穿孔実験を行い，誘電泳動力を利用することで，浮遊細胞（未接着細胞）においても細胞膜の穿孔に必要な十分な保持力が発生できることを確認した．（3）電気泳動移動度と電場ベクトルの時間変化を用いた簡易モデルによって，電場駆動力（電気泳動）による細胞内でのDNAの泳動軌跡の数値解析モデルを構築した．その結果，従来のAC電圧印加と比較して，細胞内の電界強度が大きくなる矩形波電圧を印加する場合の方がDNAの導入が高効率に行えることを示唆する結果を得た．
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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
本提案技術の最もユニークな電場駆動力を利用した超並列・高精度な遺伝子導入技術（細胞内デリバリー）の実現に必須となる段付き中空ナノニードルアレイからの電場駆動力による蛍光DNAの同時吐出（100本中99本からの吐出に成功）が可能であることを確認し，超並列操作の可能性を示した．また，自動調心機能付きマイクロチャンバへの高い細胞捕獲率を実証することができた．さらに，細胞内でのDNA分子の泳動挙動を予測するための数値解析モデルを構築したことで，各種電場条件下における最適条件の探索が可能となった．
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| Strategy for Future Research Activity |
おおむね当初の計画通り実施する．主な研究項目としては，（1）中空構造を有する段付きナノニードルアレイ（先端外径1μm程度，10×10アレイ）を用いて，電場駆動力を利用した蛍光DNAの吐出実験を行い，電圧印加方式の影響を精査する．さらに，数値解析手法によって細胞内に誘起される電界強度分布を可視化し，細胞内デリバリーの最適条件を明らかにする．（2）自動調心機能付き細胞配列チャンバアレイ（10×10）に捕獲した細胞に対して，ガラスピペットを用いた蛍光DNAの導入実験を行い，DNA導入効率および生存率を評価する．さらに，誘電泳動力によるチャンバ内への細胞の保持力を調査し，電極形状および電極配置の最適化を図る．（3）前年度に引き続き，Ag ナノ粒子（平均直径60nm）を固定化した原子間力顕微鏡（AFM）プローブ探針をHeLa 細胞に穿刺し，ラマン分光スペクトルの時系列変化を調査し，細胞内分子イメージング手法としての基礎的検討を行う．（4）ガラスピペットを用いて，細胞内へのDNA導入時の細胞内SERS分光を行い，生体分子ダイナミクス観察手法としての有効性を検証する．
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