2017 Fiscal Year Annual Research Report
細胞代謝解析のための機能デバイスを組込んだバイオハイブリッドシステムの構築
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17H02091
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| Research Institution | Ritsumeikan University |
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Principal Investigator |
小西 聡 立命館大学, 理工学部, 教授 (50288627)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
橋本 健志 立命館大学, スポーツ健康科学部, 教授 (70511608)
服部 浩二 立命館大学, 立命館グローバル・イノベーション研究機構, 准教授 (60409670) [Withdrawn]
小林 大造 立命館大学, 理工学部, 准教授 (20557433)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | マイクロ・ナノデバイス / マイクロマシン / ナノバイオ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
メタボリックシンドロームは生活習慣病との関連が深く健康診断でも重視されており、培養組織を用いた代謝解析の重要性も高まっている。細胞工学を駆使して生体組織をチップ上につくる研究も活発に進められており、本研究では、代謝物の回収デバイスや生化学センサ等の機能デバイスを組込んだバイオハイブリッドシステムの構築を進めている。今年度は、細胞培養機構、組込みセンサ、代謝物回収機構、入力刺激機構、の各要素の研究開発に取り組み、当初計画に基づき要素技術研究に関して着実に成果をあげることができた。本研究では、独自開発を目指しているバイオハイブリッドシステムとその要素技術の研究開発過程においては、なるべく従来の系と併用し、比較をしながら進めていくことにした。
細胞培養機構に関しては、従来のディッシュの系に対し、培地交換機構、薬剤刺激機構といった流路を有したチップを設計、製作し、PCにより制御可能な系を実現した。組込みセンサについては、pHセンサを手始めに取り組みを開始し、TaO2電極をパターニングしたpHセンサを製作することに成功した。さらに、本事業で導入することができたバイオセンサ装置を用いて同じサンプルを分析することにも取り組んだ。代謝物回収機構については、既製のポンプやバルブを組み合わせ、PCにより制御可能な系の実現に取り組んだ。流路デバイスチップ上における分注機構の系の実現にも取り組んだ。
入力刺激機構については、前述の薬剤刺激に加え、骨格筋細胞を対象とした電気刺激の系の実現にも取り組んだ。
以上の要素技術の研究開発成果は、今後バイオハイブリッドシステムに展開することにより、薬剤投与や電気刺激等の外的刺激入力制御と出力となる代謝物の定期的な回収分析による細胞代謝解析への貢献が期待される。
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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
本研究では、チップ上に培養した細胞に対して、代謝物の回収デバイスや生化学センサ等の機能デバイスを組込んだバイオハイブリッドシステムの構築を進めている。今年度は、細胞培養機構、組込みセンサ、代謝物回収機構、入力刺激機構、の各要素の研究開発に取り組み、当初計画に基づき要素技術研究に関して着実に成果をあげることができた。
細胞培養機構に関しては、従来のディッシュの系に加え、培地交換機構、薬剤刺激機構といった流路を有したチップを設計、製作し、PCにより制御可能な系を実現した。本研究では、手始めに脂肪細胞や骨格筋細胞に着目している。いずれの細胞に関しても、実現した機構で培養することに成功しており、バイオハイブリッド状態を実現している。また組込みセンサについては、pHセンサを手始めに取り組みを開始し、TaO2電極をパターニングしたpHセンサを製作することに成功した。さらに、本事業で導入することができたバイオセンサ装置を用いて同じサンプルを分析することにも取り組んだ。pHセンサの次に乳酸センサの開発に取り組むことを予定している。導入したバイオセンサ装置を用いて同じサンプルの乳酸の変化に関する分析を実施した。
代謝物回収機構については、既製のポンプやバルブを組み合わせ、PCにより制御可能な系を実現した。併せて流路デバイスチップ上における分注機構の系の実現にも取り組み、細胞培養機構用のチップへの組み込みに向け着実な成果を挙げている。
入力刺激機構については、前述の薬剤刺激に加え、骨格筋細胞を対象とした電気刺激の系の実現にも取り組んだ。
以上の要素技術による成果は、今後バイオハイブリッドシステムに展開することにより、薬剤投与や電気刺激等の外的刺激入力制御と出力となる代謝物の定期的な回収分析による細胞代謝解析への貢献が期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成29年度実施した細胞培養機構、組込みセンサ、代謝物回収機構、入力刺激機構、の各要素技術の研究を推進した。平成30年度は、要素技術の統合によるシステム化を開始する。細胞培養機構、組込みセンサ、代謝物回収機構、入力刺激機構、の各要素の統合準備を進める。中でも、細胞培養機構と代謝物回収機構を優先して進める。細胞代謝解析について、開発予定のセンサの代わりにセンサの校正用に導入した細胞培養用バイオセンサおよび実績を有する画像解析技術を適用して、細胞代謝解析バイオハイブリッドシステムを仮構成する。
・細胞培養機構に関する研究開発：引き続き、今回のシステムに培養細胞機構を統合するにあたり生じた課題の解決を適宜実施する。
・組込みセンサに関する研究開発： pHセンサ技術をもとに、酵素固定による乳酸センサへの展開を図る。導入予定の既製の細胞培養用バイオセンサを用いて校正評価し、実用レベルの特性の実現を目指す。
・細胞代謝物回収機構に関する研究：初年度は、外付けプロトタイプを実現予定である。本年度は、集積化タイプの研究開発を重点化し、組込みセンサとの集積化の準備を整える。
・入力刺激機構に関する研究：薬剤刺激と電気刺激を入力刺激候補として研究を進める。薬剤導入用流体デバイスと電気刺激用電極デバイスの研究開発に目処をつけ、課題がある場合は次年度上期で解決を図る。
・細胞活動制御に関する研究：本研究では先に、進捗の早い要素を用いたシステムの仮構成を計画している。仮構成したシステムを用いて試運転を実施し、前年度までに設定した課題に適用し、動作を検証する。
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