2017 Fiscal Year Annual Research Report
拍動する心筋細胞シートを用いた伸縮性多点電極アレイによる薬物反応の評価
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17H06149
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
染谷 隆夫 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (90292755)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
関野 正樹 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (20401036)
横田 知之 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 講師 (30723481)
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| Project Period (FY) |
2017-05-31 – 2022-03-31
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| Keywords | バイオエレクトロニクス / 伸縮性センサ / 生体適合性 / 心筋細胞 / 細胞シート |
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| Outline of Annual Research Achievements |
拍動する心筋細胞シートを評価するためには、(1)十分な柔らかさと伸縮性を持ち、繰り返し伸縮する心筋細胞への負荷を最小限にしながら、(2)長時間細胞と接触しても有害作用を与えないで、(3)投薬時に薬品の拡散を妨げないように物質透過性を有するセンサーが必要である。本年度は、それぞれの項目についてセンサーの性能を向上するための研究を推進した。
まず、十分な柔らかさと伸縮性を同時に実現するために、センサーの材料と構造の選定を行った。具体的には、ナノサイズのメッシュ構造を導入し、ポリウレタンを電界紡糸法によってナノファイバーを形成し、それを数層積層した非常に薄いシートをセンサーとして用いた。導電性と柔らかさを両立するために、ポリウレタンのナノファイバーの周りに、選択的にパリレン高分子膜を成膜し、そのナノファイバーをテンプレートとして、金の薄膜（100ナノメートル）を蒸着法で形成した。その結果、心筋細胞の表面電位を計測するプローブとして十分に高い導電性と低い接触インピーダンスを得ることに成功した。また、ナノメッシュセンサーに20％の引っ張り伸長を1000回繰り返し印加しても、電極と配線の初期抵抗より5％以下の変化を示し、十分な機械強度を確保していることを確かめた。さらに、培養液環境での多点計測を実現するために、金薄膜を形成したナノファイバーの周辺のみをパリレン高分子膜でコーティングし、電気的な絶縁性の向上を図った。その結果、プローブと配線の間のインピーダンスの差を1000倍以上にすることができ、周囲からの信号の混入を抑制し、プローブ部の情報のみを安定して計測できるセンサーを開発することに成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
ナノメッシュ構造を用い、高い物質透過性を持ちながら、十分に柔らかく伸縮可能なセンサーの製造とその評価法に成功している。一般的に、やわらかさと耐久性はトレードオフの関係にある。センサーを柔らかくするために、ファイバーの密度を低くし、薄くしていくと、ファイバーが切れやすくなり、結果として、センサーとしての機能を失ってしまう。一方、ファイバーの密度を高くしたり、ファイバー径を太くしたりしていくと、センサーは壊れなくなる半面、センサーを細胞に接触した際の負荷が大きくなってしまう。本研究課題では、ポリウレタンのナノファイバーを用い、パリレン高分子膜を選択的にナノファイバーの周りに形成することで、センサーの全体的な柔らかさは維持しつつ、十分な耐久性を得ることに成功している。また、機械的な特性とともに、低い接触インピーダンスや絶縁特性などの電気的な特性も満たしており、心筋細胞シートの電位計測に向けたセンサーの開発に成功している。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は開発したセンサーを用い、心筋シートに貼り付け、心筋シートの表面電位を計測していく予定であり、実際のセンサーを用いた心筋細胞シートへの評価法の確立を目指す。具体的には、ナノファイバーセンサーのやわらかさと伸縮性を制御し、センサーと細胞シートとの間のインターフェースへの影響を解明する。ファイバーの密度を制御することで、細胞と密着するセンサーの表面積を十分に増やし、心筋細胞シートがダイナミックに拍動してもセンサーとの良好な密着を維持できるようにする。また、ナノメッシュセンサーによる心筋細胞シートへの動的な負荷を定量的に評価するために、柔らかさを系統的に制御したナノメッシュセンサーを心筋細胞シートに貼り付け、細胞の動きを定量化する。それによって、センサーの柔らかさが細胞への動的な動きに与える影響を系統的に調べることができる。最終的に、自由に拍動する心筋細胞を評価できるセンサーを実現する。従来は、細胞の評価のために、培養皿に組み込まれた電極アレイを用いており、細胞が培養皿に固定されている状態での薬物反応などを評価してきた。これは自由に収縮する、実際の心臓が置かれた力学的環境とは大きく異なり、心臓の収縮脳に対する薬物反応を評価するモデルとしては十分でない。今後、開発したナノメッシュセンサーを用い、より実際の心臓に近い状況での心筋細胞の評価を可能にする。ナノメッシュセンサーは液透過性が高く、直接心筋シートに接触している状態でも培養液や薬の成分を心筋シートに供給できるため、この特性をいかし、ダイナミックに動いている心筋細胞シートを用いての薬効試験を行う予定である。
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