2019 Fiscal Year Annual Research Report
Inhibitory mechanism of cell division by spatiotemporally modulated electric field and its application
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18H03520
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
藏田 耕作 九州大学, 工学研究院, 准教授 (00368870)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 細胞分裂 / 電界分布 / 誘電泳動力 / 低侵襲ガン治療 / 遺伝子マニピュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，細胞に電界を与えて染色体や微小管に誘電泳動力を働かせ，細胞分裂を阻害して壊死させる新しいガン治療法の確立を目指している．そのために，交流電界中で細胞の分裂過程を解析して電界による分裂阻害のメカニズムを解明すること，分裂の阻害に最も効果的な電極配置と電圧印加条件を予測する数値シミュレーション法を確立すること，の2つを目的としている．
2019年度は主に，①分裂過程にある受精卵を対象にした数値シミュレーションによって最適な電極配置と電圧印加条件を検討すること，②実験に必要な培養容器と電極から構成される電界印加装置を製作すること，の2つを行った．
①では，分裂方向に対する電界の向きが受精卵内部の電界分布と誘電泳動力の発生に与える影響を検討した．すでに誘電泳動力の大きさや最大値をもたらす周波数帯は，細胞外基質の導電率，細胞内溶液の導電率，細胞膜の比誘電率，細胞直径の4つのパラメータに最も大きな影響を受けることを明らかにしていたが，細胞内外液や細胞膜の電気的物性値には文献値を用いるほかない．ところが，過去に報告された値には大きなばらつきがある．そこで物性値のばらつきが電界強度と誘電泳動力の大きさに与える影響についても評価した．
②では，3Dプリンターで出力した培養容器を製作した．培養容器内の電界強度を高めるには比誘電率の大きな絶縁電極が必要であるが，高誘電率材料の入手ができなかったために非常に薄いシリコンシートで表面を覆った銅板を用いることにした．そして電極に交流電界を印加したときに培養容器内に生じる電界を実際に計測して，両者の関係を明らかにした．また，実験を行う際に所望の電界を発生させるために必要な外部電界の大きさを見積もることができるように，等価電気回路による簡単な計算法について検討した．
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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
2019年度は，①分裂過程にある受精卵を対象にした数値シミュレーションによって最適な電極配置と電圧印加条件を検討すること，②実験に必要な培養容器と電極から構成される電界印加装置を製作することの2つを行う予定であり，予定通りに実施できた．①については，単純な球状細胞のモデルに加えて，マイクロCTで撮像したカエル受精卵を三次元再構築したモデルでも同様に数値シミュレーションを実施することができた．②については，実際に電界印加装置を製作して次年度の実験の準備を行うことができた．この電界印加装置は3Dプリンターによって筐体を出力できるので，複製も容易である．
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年度はこれまでの研究結果を踏まえて，実際にカエル受精卵に対して種々の条件で電界を印加する実験を行う．数値シミュレーションの結果を参考にしながら，交流電界の周波数や方向を変えながら印加する．電界刺激の効果は，受精卵からオタマジャクシへの成長が阻害されるか否かによって容易に判定できる．また，必要に応じて組織切片を作成して光顕観察し，細胞分裂の形態計測などを行う．
これまで交流電界による細胞分裂阻害メカニズムとして誘電泳動力による微小管の重合阻害や極性分子の運動への干渉が考えられてきた．しかし，最近の数値シミュレーションの結果によるとこれらの効果は小さく，細胞膜電位の変化がイオンチャネルを開口させて細胞のホメオスタシスを失わせることによって細胞死に至る可能性を示唆している．そこで，新たに培養動物細胞を対象としてパッチクランプ法による膜電位計測を行い，交流電界が膜電位に与える影響を調べる実験を計画する．
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