2020 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．前年度までは，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ために数値シミュレーションを実施するとともに，細胞の寸法や電気物性値が多少異なっていても治療効果が損なわれないロバストな電界印加条件を探索した．
2020年度は，これまでの数値シミュレーションの結果を踏まえて，実際にカエル受精卵に対して微弱な電界を印加する実験を行った．アフリカツメガエル受精卵のゼリー膜をシステイン溶液で除去した後，3Dプリンターで出力した培養容器内に静置してデジタル顕微鏡で経時観察した．最初の卵割の方向を確認し，卵割面に平行に電界を印加した．これは次の卵割によって4細胞になる際に最大の誘電泳動力の効果が得られる印加方向である．その後，尾芽胚になるまで30時間以上の経時観察を行った．しかしながら，現在までの実験結果では，電界の印加による有意な細胞致死の増加は見られていない．また，経時的に化学固定した受精卵の紡錘体を構成するαチューブリンを染色して蛍光顕微鏡観察を行ったが，電界印加に起因する染色体分配の偏りなどの細胞致死に結びつく変化は認められなかった．
一方，微弱な電界印加が細胞膜電位の変化やホメオスタシスの喪失を引き起こすことが細胞致死の原因であるという新しい腫瘍治療電場のメカニズムを検証するため，パッチクランプ法によって膜電位を計測する実験システムを導入し，実験準備を行った．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
コロナ禍で大学への登校が制限されたために当初の予定通りに実験を進めることができなかったのが第一の理由である．また，限られた回数の実験結果ではあるが，アフリカツメガエル受精卵を用いた実験において電界印加を行っていない対照群における生存率の低さが問題であることが分かった．これは，個々の卵に電界印加を行うために受精後にゼリー層を溶解したことや卵を実験装置にセットする際に物理的刺激が加わることが原因と思われた．
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| Strategy for Future Research Activity |
アフリカツメガエルの受精卵を用いた実験を継続して行うが，今後はゼリー層を除去せずに実験を進めることを考える．卵割面に対して電界印加の方向を制御することはできなくなるが，あらかじめ卵割面の向きをデジタル顕微鏡で記録しておけば，電界印加方向と細胞生存率との関係を明らかにすることができる．このような実験方法の変更を行ってもなお電界印加によらない細胞死のために実験がうまく進まない場合は，実験対象を培養動物細胞へ切り替えることも検討する．
数値シミュレーションでは，たとえ細胞内液や細胞膜の物性値が不確かであっても電界の周波数を高めにシフトさせるとその不確かさの影響が非常に小さくなること，最大の誘電泳動力が発生する印加方向から±20度の角度のずれは誘電泳動力の大きさに影響しないこと，さらに，細胞外液の導電率と比誘電率が大きい方が大きな誘電泳動力が得られることが明らかになった．特に細胞外液の電気物性の効果は，治療したい部位に導電率や誘電率の高い薬剤を注入して電界の作用を高めるアジュバント治療法に繋がる．このような周波数の効果，角度の許容量，そしてアジュバントの効果を実験によって確認する．
さらに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実験的に調べる．この実験は，電界印加による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という新しいメカニズムを確認するものである．
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