2019 Fiscal Year Annual Research Report
Research and development of neural interface device composed of artificial cell membrane and membrane protein
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18H03512
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
八木 透 東京工業大学, 工学院, 准教授 (90291096)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
宮本 義孝 国立研究開発法人国立成育医療研究センター, 細胞医療研究部, 上級研究員 (20425705)
榛葉 健太 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (80792655)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | ジャイアントリポソーム / ゲルボール / 脂質二重膜 / カーボンナノチューブ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
提案する神経インタフェースデバイスは，人工細胞膜と膜タンパク質から構成される人工のギャップジャンクションを用いて細胞内刺激を実現するものである．膜の安定化の目的でボール形状のゲル物質周りに脂質二重膜を構成し、ギャップ結合を実現するために膜タンパク質など膜を貫通して物質輸送を行う要素技術の開発を行う必要がある．
本年度は，１）静置水和法を用いた粒径が数十μm以上のジャイアントリポソームの作製，２）ゲルボールの作成とゲルボール周囲への脂質二重膜形成，３）カーボンナノチューブを用いたギャップ結合に関するパイロット実験，について研究を実施した．１）では，微小区画を有するチップを作製し，表面をポリマーでコーティングした．その後、膜の原材料を微小区画内に展開し，電解質溶液内に静置して膜を形成した．その結果，均一な微小領域と同等なサイズを持つ数百個の人工細胞膜を一括生成できた．２）では，アルギン酸カルシウムゲルを使用してゲルボールを作製した．アルギン酸はカルシウムイオンが添加されるとゲル化する性質を持つ．そこで電気化学反応を利用することで局所的にカルシウムイオンを生成し，ガラス管電極などの先端部に球状のゲルを作製した．海面通貨法でゲルボール周囲に脂質二重膜を構成できたが，安定的なな結果が得られていないため今後改良する．３）では，膜タンパク質の代わりに管状構造を持つカーボンナノチューブ（CNT)を利用できないかを検討するため，蛍光顕微鏡下でジャイアントリポソーム中のCNTのイオン透過実験を行った。その結果，リポソーム外部から内部へCa 2+ が輸送されること，そして顕微鏡下ではリポソーム膜に大きな破壊が見られないことを確認した。
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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
本年度の成果は、作製したデバイスの電気的な機能評価につながるものと考えている．静置水和法を用いた粒径が数十μm以上のジャイアントリポソームの作製では，実験開始当初はPDMSで作製した微小凹み周りに粒径５μm以下の多数の小さなリポソームができるばかりで、所望のジャイアントリポソームを得ることができなかった。そこで表面張力を考慮する工夫をしたところ、凹み壁面から大きなリポソームが成長する様子が観察された。ジャイアントリポソームの利点は微小ガラス管を刺入しやすい点である．ゲルボール周囲への脂質二重膜形成では、初めは、当研究グループで用いてきたアガロースを使ってゲルボールを形成しようと施行を重ねた。しかし電極先端だけにゲルボールを作成するのは極めて作業効率が悪く、かつ安定して所望のサイズのゲルボールを得ることができなかった。そこでアルギン酸カルシウムを用いたところ、ガラス管電極の先端に容易にゲルボールを形成できるようになった。最後に、カーボンナノチューブに関する実験は未だ試行段階ではあるが、カルシウムイオンの輸送実験が予想以上の成果を上げたことから、膜タンパク質の代替物として大いに期待できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後もおおむね当初の計画通りに，パッチクランプ法を用いたデバイスの電気特性評価と改良、ゲルボールへの高効率な脂質二重膜コーティング法の開発，作製したデバイスと生体組織との結合、を目指して研究を推進する．パッチクランプで用いる微小ガラス管先端にゲルボールをできるようになったため、脂質二重膜をゲル周辺にコーティングできれば、ホールセルクランプと同様の計測が可能になる。すでにパッチクランプ用のアンプを別予算で購入したので、２０２０年度から電気特性評価へと研究を進める予定である。また膜タンパク質の代替としてCNTが利用できそうであることがわかってきた。CNTについては膜を貫通する微小孔を介して物質輸送には使えるが、電気感受性チャネルに見られるような選択的透過性がない。そこで今後、CNT末端に「ゲート」になるようなものを付加するなどの工夫を重ねて膜タンパク質の機能を代替できないか検討を重ねる。なお一昨年以来から検討を重ねてきた、無細胞タンパク質合成系を用いたコネキシン作製実験については、人員の関係で作業が停滞しているので、早急に人員の目処をつけて再開する予定である。
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