2019 Fiscal Year Research-status Report
Japanese-German Joint Research on Real Time Monitoring Technology of Cellular Metabolism in Vitro Model Device
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18KK0306
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| Research Institution | Kyoto University of Advanced Science |
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Principal Investigator |
田畑 修 京都先端科学大学, 工学部, 教授 (20288624)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
亀井 謙一郎 京都大学, 高等研究院, 准教授 (00588262)
平井 義和 京都大学, 工学研究科, 助教 (40452271)
四竈 泰一 京都大学, 工学研究科, 准教授 (80456152)
山本 暁久 京都大学, 高等研究院, 特定助教 (90706805)
巽 和也 京都大学, 工学研究科, 准教授 (90372854)
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| Project Period (FY) |
2018-10-09 – 2022-03-31
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| Keywords | 生体外モデルデバイス / 細胞代謝 / リアルタイムモニタリング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平井と田畑は、AnalyticBoC（A-BoC）で生体内の流れ場・圧力場の変動を精密に再現するため，柔軟なシリコーン樹脂材料であるPDMSを使ったコンプライアンス要素の集中定数モデルによるデバイス設計法をまとめるとともに，流体デバイス内の細胞チャンバ内のオルガノイドに圧力波形を印加しながらその様子を倒立顕微鏡で観察可能な新しいデバイス構造を考案した。
亀井は，ヒトiPS細胞由来組織の肝臓オルガノイドの培養液中に人為的に高濃度の脂肪を添加しその症状をAnalytic BoCで再現する疾患モデルの構築に取り組んだ。今年度では，亀井がDr. Neil MacKinnon・Dr. Vlad Badilita(KIT)が開発したNMRを用いて肝臓オルガノイドからの代謝産物の定量的解析を行った。
四竃は，単一光ファイバ内視鏡とダイヤモンド温度センサを統合するために，光ファイバの変形に伴う空間分解能低下を評価した。また，光ファイバよりも高密度な配線が可能なポリマー導波路を用いた内視鏡の性能評価を行った。
巽は，マイクロ流路内の液滴封入と温度制御技術を活用したSingle-cell metabolomics analysis（単一細胞代謝分析）を実現するために，Boxcar型電極を用いた誘電泳動力による流路内での粒子と細胞の間隔・速度・タイミングを100nmおよび100micro-secの精度で制御可能な技術を開発し，細胞のカプセル化成功率と処理能力を従来の10-20%から80-100%まで向上できる可能性を示した。
山本は，オルガノイドの３次元形状を取得しその時空間揺らぎを解析するために，共焦点顕微鏡画像から細胞境界を決定するアルゴリズムの開発を行った。また，オルガノイドを埋包する水和ゲルの力学的特性がオルガノイドの成熟に及ぼす影響を明らかにするため，AFMを用いたゲルのヤング率測定を行った。
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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
研究メンバー全員が連携先を訪問し，ドイツ側研究者とのミーティングを行うとともに実験もスタートし，順調に進捗している。平井と田畑は，Dr. Jan KorvinkとTV会議，メールでミーティングを行い研究を進めた。亀井の当研究室メンバーが，Dr. Neil MacKinnon，Dr. Vlad Badilita(KIT)を訪問し，共同で実験を行った。四竃はDr. Joudaと実験及び成果発表についてオンラインでの打合せを行った。巽はProf. Brandner Jurgenと2019年12月にマイクロ流路内の細胞カプセル化技術と温度制御技術の統合の打ち合わせを行った。山本はHeidelberg大学のProf. Tanaka，KITのProf. Bastmeyerとオルガノイドの形状揺らぎ解析法および細胞活性の評価法について具体的な打ち合わせを進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
平井と田畑は，前年度の成果である流れ場・圧力場の変動を生成可能な流体コンプライアンス要素の設計方法と合わせ，デバイス全体の構成や作製プロセスを検討，マイクロ流体制御システムとしての確立を目指す。マイクロ流体制御システムの構造材料に起因するノイズをＫＩＴのグループが保有するＮＭＲ装置を使って定量的に評価する。
亀井は，ヒトiPS細胞由来組織の肝臓オルガノイドを用いて人為的に肝疾患モデルの開発と，そのAnalytic BoCへの集積化を試みる。Dr. Neil MacKinnon・Dr. Vlad Badilitaが開発しているNMRの実証試験を行う。
四竃は，単一光ファイバ内視鏡のNMR実機への組み込みに向けて，光ファイバ変形に伴う空間分解能低下の補正方法を開発し，ダイヤモンド温度センサと組み合わせた温度分布計測を実証する。
巽は，Flow focusing流路を用いたマイクロ流路内の液滴生成機構に，平成31年（令和元年）度に開発したBoxcar型電極を用いた整列・タイミング制御機構を導入し，粒子・細胞カプセル化の収率を測定する．さらにKIT側が開発したマイクロ流路内の温度制御機構を適用し，温度によるSingle-cell metabolomicsへの影響を個々の液滴・細胞の温度測定を行うことで検証する。
山本は，オルガノイドの形状揺らぎに対するモード解析をより詳細に進め，並行して細胞活性や分化状態の評価することで両者の相関の評価に取り組む。またゲルからの力学的な相互作用がオルガノイドの成熟に与える影響をさらに理解するため，レーザーピンセットを活用した光トラップ技術を用いて水和ゲルの粘弾性特性を評価する。
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| Causes of Carryover |
年度末に渡航＆滞在予定であったが，新型コロナウイルス感染拡大のために断念し経費を次年度に繰り越した。亀井は当該年度の研究が順調に進み，かつ次年度において再現性を確認するために測定サンプル数を多くする必要が出てきたため，一部経費と次年度に繰り越した。
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