2019 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), 准教授 (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 |
本研究では、ダイナミックに拍動する心筋細胞シートの活動電位を長期間計測する手法を確立する。心筋細胞シートと同程度の柔らかさを達成し、実際に近い模擬環境での薬物反応の評価を可能にする。
昨年度までは、ナノメッシュセンサの製造法を確立し、開発したセンサを用いてダイナミックに拍動する心筋細胞シートの表面電位を計測することに成功した。具体的には、電界紡糸法によって形成したポリウレタンのナノファイバーをテンプレートとし、それを数層積層する非常に薄いナノメッシュセンサを開発した。実際にセンサを心筋シートに貼り付けても、センサ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。最終的に、心筋シートが自由に拍動する状態で、表面電位を長時間（96時間）連続計測できることを実証した。ナノメッシュ構造の高い液透過性を用い、センサを貼り付けた心筋シートへ拍動に影響を与えるイソプロテレノールの投薬を行い、投薬による拍動感覚の変化の定量的な評価に成功した。
本年度は、ナノメッシュセンサの空間分解能を向上させるための研究を進め、銀ナノワイヤを導入することで、配線及び電極部の電気的・機械的特性を劇的に向上することに成功した。具体的には、ポリウレタンナノファイバーに銀ナノワイヤを溶液プロセスで形成し、150℃で加熱することで、高い導電性（9190 S/cm）と伸縮性（310%）を持つナノメッシュセンサを開発した。引っ張り伸長（70%）を1000回繰り返し印加した際の抵抗上昇は82%以下であり、配線の抵抗をわずか数オームレベルに抑えることができた。さらに、電極のアクティブ素子化を検討し、ナノファイバーに導電性有機材料をスプレーコートするための実証実験を行った。ファイバー密度とスプレー時の圧力、コート回数などを制御することで、メッシュ構造を維持しつつ、有機高分子をナノファイバーに形成することに成功した。
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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
本研究では、創薬における心臓への副作用を定量的に評価することを目的とし、ダイナミックに拍動する心筋細胞シートを対象として投薬による活動電位への影響を定量的に評価することを目指している。本年度までに、ナノメッシュ構造のセンサの製造法を確立し、細胞レベルまで柔らかい超柔軟なセンサを開発することに成功した。さらに、センサを心筋細胞シートに直接貼り付けることで、細胞の伸縮に影響を与えることなく心筋細胞シートの活動電位を計測することに成功しており、投薬による拍動数の変化（1分当たり24.6回から39.9回）を定量的に評価できた。一連の成果は、Nature Nanotechnology誌に掲載され、話題を呼んだ。またセンサの高空間分解能化とプローブ電極の低インピーダンス化のための検討を進め、センサの電気的な性能を各段に向上させることに成功しており、当初予定通り、研究は順調に進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
来年度は、心筋細胞シートの活動電位をより高感度で計測するため、ナノメッシュ型アクティブ素子の製造手法を確立する。心筋シートの生じる電位は非常に微弱であり、細胞外電位としてわずか数ミリボルトである。そのために、計測した信号を増幅して読み出す必要がある。特に本研究では、自由に拍動する心筋細胞シートを対象としているため、外的な動きによるノイズや周辺の環境から混入されるノイズを抑制することが重要である。
筆者らはこれまでに有機導電高分子（poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate（PEDOT:PSS））を電気化学トランジスタとして用いることで、微弱な信号を信号源で増幅することの有用性を示してきた。増幅された信号は、配線における物理的な接触や変形に対する不感応性とともに電磁場などの環境ノイズに対して非常に優れた遮蔽性能を示すことを確かめた。しかし、従来の有機導電高分子を用いる電気化学トランジスタは均一な膜を形成するために、スピンコート法で形成することが一般的であった。本年度は、ナノメッシュ型アクティブ素子の製造のためのプロセスを検討し、柔軟性と物質透過性を維持しつつ、ナノメッシュテンプレートに有機導電高分子をスプレーコートすることに成功した。今後は、実際にナノメッシュ有機高分子膜をアクティブ素子として用いるために研究を行い、ファイバーにダメージを与えることなく均一な膜を形成するための粘性調整と溶媒選定及び選択的な形成手法の確立を推進する。さらに、活動電位を計測するための高時間分解能を確保するための素子寸法の微細化と薄膜化を進める。
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