高感度磁束計による自発磁場の測定を用いた細胞評価法の確立

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K22975
• Research Institution: Kyoto Prefectural University of Medicine
• Principal Investigator: 吉田 隆司 京都府立医科大学, 医学(系)研究科(研究院), 講師 (10546641)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 足立 善昭 金沢工業大学, 先端電子技術応用研究所, 教授 (80308585) ; 山口 武志 金沢工業大学, 先端電子技術応用研究所, 研究員 (20593437)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2021-03-31
• Keywords: 生体磁場 / 計算機シミュレーション / SQUID / iPS細胞 / 再生医療

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、iPS細胞由来の分化心筋細胞から電気活動によって生じる非常に微弱な自発磁場(ピコテスラ以下)を、超高感度磁束計であるSQUIDを用いて測定することにより、細胞の活性を無侵襲かつ非破壊的に評価する手法を検証し、確立することである。
2019年度は細胞外電位と磁場信号の同時測定実験を行い、環境ノイズに比べて非常に微弱で目視では捉えることが困難な磁場信号の検出を試みた。まずマウスiPS細胞から３次元培養により胚様体を作成し、電極が実装されたプローブ上で培養、心筋への分化誘導を行い、自発拍動するサンプルを作成した。次に細胞外電位のデータを収録すると同時に、SQUIDを用いてサンプルの磁場測定を行った。細胞外電位のデータから電気活動のピーク時刻を決定し、そのピークを指標として磁場信号の加算平均を計算しS/N比を向上させた。さらに細胞外電位測定装置の改良を行い、磁場計測に影響を及ぼすノイズを低減することにも成功した。その結果として、細胞由来の磁場だと考えられる特異的なシグナルを加算平均して得られた波形から検出することに成功した。
また本研究では実験を補完するための理論的なアプローチとして、細胞集団の自発磁場信号を計算機シミュレーションによって推定することを計画しているが、2019年度はその準備段階として、マウスiPS由来心筋細胞の活動電位モデルの作成を試みた。具体的には、ヒトiPS由来心筋細胞モデルとマウス胎児心筋細胞モデルをハイブリッド化したモデルをベースとし、マウスiPS由来心筋細胞の活動電位を再現するよう、遺伝アルゴリズムを用いてパラメーターフィッティングを行った。その結果、活動電位の形状や拍動数において実験値と高い一致度を示す数値計算モデルを得ることができた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

磁場測定装置の稼働に必要な液体ヘリウムの国内供給が、国際情勢などの理由から予想外にタイト化し、入手可能となるまでの時間を要したため、実施できた実験の回数が当初の計画には達しなかった。しかしそれ以外では特に大きな問題も無く、マウスiPS由来分化心筋細胞の磁場と細胞外電位同期計測実験を行うことが出来た。実験前に懸念していた、細胞外電位測定が磁場測定に及ぼすノイズ等の影響も、装置の改良や配線の工夫により大きく低減させることが出来たため、微弱な細胞自発磁場を検出する上での障害の１つを解決することに成功した。加算平均を用いたデータ処理により、心筋細胞集団由来とみられる自発磁場のシグナルを検出することに成功したので、初年度の目標はおおむね達成することができたと考えている。
また計算機シミュレーションについては、初年度に１細胞レベルの活動電位モデルを完成させ、２年目にそれを組み込んでの細胞集団シミュレーションを行う計画である。ヒトとマウスではiPS由来分化心筋細胞の電気活動が大きく異なっており、既存のヒトiPS心筋細胞モデルをそのまま数値計算に使用することが出来ないが、マウス胎児心筋細胞モデルと融合したモデルを出発点とし、モデルのパラメーターを遺伝アルゴリズムを用いて最適化することにより、実験で計測された活動電位を再現する新規モデルを作成することが出来た。既に２次元、３次元集団における電気活動、およびそれから生ずる自発磁場を計算する枠組みにも取りかかっており、計算機シミュレーションに関しても計画通り、順調に進展している。

Strategy for Future Research Activity

2020年度の研究計画としては、まず細胞由来磁場シグナルを検出する精度の改善を予定している。現状、バックグラウンドのノイズから細胞磁場のシグナルを明瞭に区別できるまでには達していない為、さらなるS/N比の向上を果たす必要がある。そのための方策として、まず測定時間を延長することにより、加算平均の回数を増やすことを計画している。ただし測定時間を延長すると、測定中の細胞の電気活動を安定させ信号のバラツキを抑えるためにサンプルの温度維持が要求されるので、必要とされる温度管理装置を検討する。また細胞外電位測定装置が磁場におよぼすノイズの影響について、更なる低減を果たすため、装置や配線の見直しを初年度に引き続き行っていく予定である。
以上のような改善により、細胞由来磁場シグナルの検出力が向上すれば、心筋への分化期間が異なる細胞の間や,成体マウスの心筋細胞との間でシグナルの比較を行い、細胞の分化度・成熟度と、磁場信号の波形・強度変化の間に見られる相関関係を検証していく。
また初年度に作成した１細胞レベルの活動電位モデルを用いて、細胞集団内の電気活動伝播、およびそれに伴って生じる自発磁場の計算機シミュレーションによる推定を行い、実験によって得られた磁場シグナルとの整合性も検証する計画である。

Causes of Carryover

2019年は中国での需要の増加や中東事情など様々な理由により、磁場測定装置を稼働するために必要な液体ヘリウムの国内での供給が非常にタイト化した。
業者から納品可能になるまでかなりの時間がかかり、年度内の実験回数が予定していた回数に達しなかった為、物品費や旅費に残額が発生した。
液体ヘリウムの供給状況は安定に向かいつつあるので、2020年度はペースを上げて実験を行う予定である。