2018 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)
福田 憲二郎 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 専任研究員 (40613766)
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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 |
昨年度は、ナノファイバーメッシュ構造の製造法とその評価法を確立した。電界紡糸法によってナノファイバーを形成し、メタルマスクを使った金蒸着によってナノファイバーメッシュ上に電極を形成した。さらに、パリレン高分子膜を気相中で成膜し、選択的に除去することで、センサーを完成した。また、センサーの伸縮性と耐久性を定量的に評価し、ダイナミックに拍動する心筋細胞に必要な性能を確保することに成功した。
本年度は、開発したナノファイバーセンサーを用い、心筋細胞に適用するための研究を行い、その結果、ダイナミックに拍動する心筋細胞の表面電位を計測することに成功した。まず、ナノファイバーの密度を制御し、15-20％の開口率のファイバーシートを用いることで、細胞とほぼ同様な柔らかさを得ることに成功した。具体的には、ナノメッシュセンサーを５％伸長させるのに、心筋細胞シートが発生する伸縮力の1/10程度のわずか0.2ミリニュートンの力が必要なセンサーの開発に成功した。
実際に、ナノメッシュセンサーを貼りつけている心筋シートの動きを評価した結果、センサーを貼り付けていない心筋シートと同等の伸縮を示すことを確かめた。また、センサーの硬さを系統的に制御し、センサーの硬さが細胞の伸縮能にもたらす影響を明らかにした。最終的に、開発したセンサーを用いて、心筋シートが自由に拍動する状態で、心筋シートの表面電位を長時間（96時間）連続して計測することに成功した。多点で心筋シートの表面電位の分布を計測することによって、各点の時間差から活動電位信号がシート内を伝搬していく状態を計測できた。また、ナノメッシュセンサーの高い液透過性を用い、直接心筋シートに接触している状態で、心筋シートの拍動に影響を与える薬（イソプロテレノール）を投与し、薬の投薬前後で、心筋シートの拍動間隔の変化を確認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
本研究課題では、心筋細胞シートに向けて、十分な伸縮性、生体適合性、物質透過性を持つセンサーの製造法と評価法を確立する。また、そのセンサーを用いて、培養皿に固定されずに自由にダイナミックに運動する心筋細胞シートを評価することを目的としている。開発したセンサーは、十分に柔らかく、細胞の発生する非常に柔らかい力でも自由に伸縮・変形することができるため、センサーを直接細胞に貼り付けている状態でも、センサーによる細胞の動きへの影響を最小化することに成功している。従来は、細胞の評価として培養皿に固定されている状態での評価が行われてきていたが、本研究課題で細胞に直接接触したセンサーを用いて自由に動いている状態の心筋細胞シートの評価に初めて成功している。また、長期間（96時間）に渡って細胞への有害性なく心筋細胞の表面電位を計測できることを確かめており、目的としていた十分な伸縮性、生体適合性、物質透過性を有するセンサーの確立に成功している。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、ナノメッシュセンサーの電極をアクティブ素子にすることによってセンサーの高空間分解能化と高感度化を目指していく。具体的には、現在の薄膜の金のプローブ電極をより高度化し、poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate（PEDOT:PSS）のような導電性有機材料をナノファイバーテンプレートの上に塗布することで、プローブ電極の接触インピーダンスを小さくする。それによってプローブ電極として必要な面積を小さくすることができ、より高い空間分解能を持つセンサーを実現できる。同時に、導電性有機材料を電気化学トランジスタとして用いることを検討する。心筋細胞シートの発生する表面電位を電気化学トランジスタのゲート電圧にし、アクティブ電極を用いることで、環境ノイズや配線ノイズの影響を抑制できると考えられ、信号のクオリティを飛躍的に改善できると期待される。
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[Journal Article] Ultrasoft electronics to monitor dynamically pulsing cardiomyocytes2019
Author(s)
Sunghoon Lee, Daisuke Sasaki, Dongmin Kim, Mami Mori, Tomoyuki Yokota, Hyunjae Lee, Sungjun Park, Kenjiro Fukuda, Masaki Sekino, Katsuhisa Matsuura, Tatsuya Shimizu, and Takao Someya
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Journal Title
Nature Nanotechnology
Volume: 14
Pages: 156-160
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Nonthrombogenic, stretchable, active multielectrode array for electroanatomical mapping2018
Author(s)
Wonryung Lee, Shingo Kobayashi, Masase Nagase, Yasutoshi Jimbo, Itsuro Saito, Yusuke Inoue, Tomoyuki Yambe, Masaki Sekino, George G. Malliaras, Tomoyuki Yokota, Masaru Tanaka, and Takao Someya
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Journal Title
Science Advances
Volume: 4
Pages: －
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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