2020 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，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した。その結果をもとに、プロトタイプのマイクロ流体制御システムを作製し、実験と解析結果を比較して機能の検証を行った。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について、KITのグループとの議論を開始した。
亀井は、ヒトES/iPS細胞から分化誘導した肝実質細胞の高機能化を実現する新しい環境を創出することに成功した。特に、分化誘導中の細胞に進展刺激を繰り返し加えることによって、肝機能として重要なCytochrome P450 3A4やアルブミン酸性の増強が確認できた。
四竃は、単一光ファイバ内視鏡とダイヤモンドセンサを用いて室温付近における空間分解温度計測を実証した。また、内視鏡にポリマー導波路を使用した際に導波路の熱膨張で起こる空間分解能の低下を評価した。
巽は、これまで開発してきた1細胞のカプセル化システムについて、流路と電極の改良設計により細胞位置制御への流れと粒子密度の影響を軽減し、さらに流路壁面処理と流体成分調整により液滴生成周期と安定性を増大させることで、粒子・細胞カプセル化の収率をこれまでの40％から80%まで高めることに成功した。
山本は、細胞株や分化状態が異なる細胞・オルガノイド変形モード解析を行い、二次元自己相関関数やパワースペクトルの特徴的パターンや、Prof. Tanakaらと共同で糖代謝活性に応じた細胞染色画像の色相の変化を示した。また、Prof. Tanaka、Prof. Bastmeyerらと共同で、電界紡糸法を用いて生体親和性ゲルのナノファイバーをマイクロピラー上に積層させた三次元細胞足場の開発を進めた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
新型コロナウイルス感染拡大の影響で，共用実験設備（ナノテクノロジープラットフォーム）を利用した実験を延期し，またドイツでの共同実験を断念して実験はドイツ側の共同研究者に依頼して実施している。これらのため，当初予定した進捗からはやや遅れている。当初より開催を予定していたワークショップは2020年12月11日にオンラインで実施した。進捗に大きな遅れはない。
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| Strategy for Future Research Activity |
平井と田畑は流れ場・圧力場の変動を生成可能な流体コンプライアンス要素を実装したマイクロ流体制御システムとKITのグループが保有するNMR装置との融合を目指したデバイス改良を進める。またオルガノイド培養や代謝物のリアルタイム測定を行い、AnalyticBoC（A-BoC）に必要な機能や性能を有することを示す。
亀井は2020年度に成功した高機能化肝臓細胞株やヒトES/iPS細胞由来肝実質細胞を用いた病態モデルの開発に取り組む。また、A-BoCに実装できる微小NMRの開発に取り組み、高脂肪肝細胞の糖代謝・脂質代謝・アミノ酸代謝を解析できる実験系の条件検討を行う。
四竃は、これまでに構築した単一MMF内視鏡システムと組み合わせる温度センサである蛍光ダイヤモンド粒子の性能評価を行う。クライオスタットを用いて低温にした粒子の蛍光スペクトルを計測し、NV中心密度と結晶格子ひずみを評価する。また、複数の粒子について計測を行い、粒子依存性を確認する。並行して、KITのNMRシステムに導入するための取り合い設計を行う。
巽はA-BoCにおける細胞の位置制御および1細胞代謝活動や抗生物質の効能の評価を目的として、細胞の位置制御と封入技術の処理能力を向上させるとともに、供給と封入する粒子・細胞の多系統化と並列化したデバイスの開発を行う。
山本は細胞・オルガノイド変形ダイナミクスの時空間全モード解析の手法を用い、メタボリックシンドローム疾患モデルの動的変形パターンを定量する。細胞分化状態や代謝状態を形態ダイナミクスから評価する手法を確立する。またKIT・ハイデルベルクの研究者とともに、力学的特性を可逆的に制御できる生体親和性材料を用いた三次元細胞培養基材の開発を行い、細胞活性をリアルタイムに制御できる微小環境モデルを構築する。
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| Causes of Carryover |
新型コロナの感染拡大の影響で全てのドイツ出張を見送り，当初ドイツに出張して対面で実施予定であったワークショップを2020年11月12日にオンラインで実施すると共に，ドイツでの共同実験を全てドイツ側の共同研究者が実施したことが，次年度使用額が発生した主な理由である。感染拡大が収束次第，ドイツに出張し，現地での共同実験を実施する予定である。
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