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イオン輸送係数テンソル計測に基づくマイクロ流路を利用したがん化細胞解析法の確立

研究課題

研究課題/領域番号 19J00240
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
審査区分 小区分19010:流体工学関連
研究機関千葉大学

研究代表者

川嶋 大介  千葉大学, 工学研究院, 特別研究員(PD)

研究期間 (年度) 2019-04-25 – 2022-03-31
研究課題ステータス 完了 (2021年度)
配分額 *注記
5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)
2021年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
2020年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
2019年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
キーワードイオン輸送モデル / 電気トモグラフィ / 異方性 / イオン濃度 / インピーダンス計測 / トモグラフィックセンサ
研究開始時の研究の概要

本研究は、細胞内-外液界面のイオン輸送が正常細胞とがん化細胞とで異なるという考えのもと、イオン輸送係数をテンソル計測することでがん化細胞センシング法の確立を目指す。
がん化細胞のイオン輸送係数テンソルは、正常分化細胞のそれと比較してより大きな異方性を有することが予想されるため、本研究では、輸送係数テンソル計測技術の開発と異方性評価によるがん化細胞センシングへの可能性を調査・検証する。

研究実績の概要

本年度は、実施項目として、1)異方性のある拡散場の電気トモグラフィ計測実験、2) 画像再構成法における高時空間分解能な前処理法の検討、3)異方的な拡散場での輸送係数評価について検討した。以下に、各実施項目について詳説する。

1) 前年度作成したPCB基盤型トモグラフィックセンサを利用したイオン輸送の異方性計測実験を実施した。異方的な拡散場を形成するために、センサ上に流路を設け、異なる浸透圧濃度の培地を細胞の両側から送達できるシステムを構成し、細胞外液の浸透圧濃度による細胞内との浸透圧差を利用した細胞スフェロイドから生じるイオン輸送を空間的に変化させることを可能とした。浸透圧濃度は、等張状態、低張状態、高張状態の3種類の組み合わせで行い、各条件における細胞膜上のチャネルタンパク質を介したイオン濃度輸送を計測した。
2) イオン拡散と比較して、1枚の画像再構成に必要な計測データ取得時間が長くなるためデータ前処理として、イオンの拡散方程式を利用したフィルタリング方法を開発した。拡散方程式と実験条件に合わせた境界条件のもと、上記で求めた外液抵抗のデータ補間を行い、擬似的に時間分解能(約0.1sの分解能)を向上させた。この補間した外液抵抗データをもとに画像再構成を行い、異方的なイオン拡散による異方的なイオン濃度分布が可視化された。
3) 2)で可視化されたイオン濃度分布をもとに異方的な拡散場における輸送係数評価を行った。輸送係数評価には、2)と同様にイオンの拡散方程式を考慮し、細胞内から外液へのイオン浸透係数を輸送係数として仮定し、境界条件として設定した。このイオン浸透係数をパラメータとして拡散方程式を解き、可視化されたイオン濃度分布に最も一致するイオン浸透係数を求めた。実験の結果から、等張状態におけるイオン浸透係数が、低張状態、高張状態に比べて低く、有意差が認められた。

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(3件)
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書
  • 2019 実績報告書
  • 研究成果

    (26件)

すべて 2022 2021 2020 2019

すべて 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 1件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (21件) (うち国際学会 5件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] Study of transmembrane ion transport under tonicity imbalance using a combination of low frequency-electrical impedance spectroscopy (LF-EIS) and improved ion transport model2022

    • 著者名/発表者名
      Li Songshi、Kawashima Daisuke、Sugawara Michiko、Obara Hiromichi、Okeyo Kennedy Omondi、Takei Masahiro
    • 雑誌名

      Biomedical Physics & Engineering Express

      巻: - 号: 3 ページ: 035024-035024

    • DOI

      10.1088/2057-1976/ac5fc5

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Boundary Reflection Derivation Method for Intracellular Structure Change Based on GHz Electrical Impedance Spectroscopy2021

    • 著者名/発表者名
      Zhang An、Kawashima Daisuke、Obara Hiromichi、Takei Masahiro
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques

      巻: 69 号: 11 ページ: 4678-4688

    • DOI

      10.1109/tmtt.2021.3105437

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Concentration profiles of ions and particles under hydrodynamic focusing in Y-shaped square microchannel2021

    • 著者名/発表者名
      Sato Norikazu、Kawashima Daisuke、Takei Masahiro
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 11 号: 1

    • DOI

      10.1038/s41598-021-82259-4

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Low-frequency Impedance-Based Cell Discrimination considering Ion Transport Model in Cell Suspension2021

    • 著者名/発表者名
      Daisuke Kawashima, Songshi Li, Hiromichi Obara, Masahiro Takei
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Biomedical Engineering

      巻: 63 号: 3 ページ: 1015-1023

    • DOI

      10.1109/tbme.2020.3002980

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 細胞外液内イオン濃度分布のトモグラフィックイメージングを応用した細胞種の識別2022

    • 著者名/発表者名
      結城翼, 川嶋大介, 李淞什, 菅原路子, 武居 昌宏
    • 学会等名
      日本機械学会 関東支部 第28期総会・講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] PCB-EITイメージングを利用した細胞-外液界面近傍のイオン輸送解析2021

    • 著者名/発表者名
      川嶋大介, 李淞什, 結城翼, 武居昌宏
    • 学会等名
      32回バイオフロンティア講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 電気インピーダンス・トモグラフィを利用した細胞膜でイオン輸送異方性の可視化2021

    • 著者名/発表者名
      李淞什, 川嶋大介, 菅原路子, 武居昌宏
    • 学会等名
      第32回バイオフロンティア講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 電気インピーダンストモグラフィを利用した細胞スフェロイド周囲のイオン拡散の定量分析2021

    • 著者名/発表者名
      川嶋大介, 結城翼, 李淞什, 小原弘道, 武居昌宏
    • 学会等名
      可視化シンポジウム2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Cell identification based on ion transmembrane transport under tonicity imbalance by low frequency-electrical impedance2021

    • 著者名/発表者名
      Songshi Li, Daisuke Kawashima, Michiko Sugawara, Hiromichi Obara, Masahiro Takei
    • 学会等名
      The 11th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Imaging of ion concentration around cell spheroid by electrical impedance tomography2021

    • 著者名/発表者名
      Daisuke Kawashima, Tsubasa Yuki, Songshi Li, hiromichi Obara, Masahiro Takei
    • 学会等名
      The 11th Asian-Pacific Conference on Biomechanics
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 電気インピーダンス計測と畳み込みニューラルネットワークを併用したイースト細胞の死細胞率と体積濃度の可視・定量化2021

    • 著者名/発表者名
      西林健人, 川嶋 大介, 小原 弘道, 武居 昌宏
    • 学会等名
      日本機械学会 関東支部 第27期総会・講演会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] EIT法によるスフェロイド周辺のイオン濃度の時空間分布の可視化2021

    • 著者名/発表者名
      結城翼, 川嶋 大介, Tran Anh Kiet, 菅原路子, 小原 弘道, 武居 昌宏
    • 学会等名
      日本機械学会 関東支部 第27期総会・講演会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 細胞内外液間のイオン輸送による電気インピーダンス・スペクトル変化を利用した細胞の電気トモグラフィックイメージング2020

    • 著者名/発表者名
      川嶋 大介, 李 淞什, 結城 翼, 小原 弘道, 武居 昌宏
    • 学会等名
      日本機械学会 第31回バイオフロンティア講演会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 単一細胞同定のためのノイズ除去電気インピーダンス分光法(neEIS)システム2020

    • 著者名/発表者名
      Tran Anh Kiet, Daisuke Kawashima, Michiko Sugarawa, Hiromichi Obara, Kennedy Omondi Okeyo, Masahiro Takei
    • 学会等名
      日本機械学会 第31回バイオフロンティア講演会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] EIT法を利用した細胞周囲のイオン濃度の可視化2020

    • 著者名/発表者名
      川嶋 大介, 結城 翼, 李 淞什, 小原 弘道, 武居 昌宏
    • 学会等名
      可視化情報シンポジウム2020
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 細胞内外液間のイオン輸送による電気インピーダンス・スペクトル変化を利用した細胞センシング2019

    • 著者名/発表者名
      川嶋 大介, 李 淞什, 菅原 路子, 小原 弘道, 武居 昌宏
    • 学会等名
      日本機械学会 第32回バイオエンジニアリング講演会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] インピーダンス計測によるイースト細胞の細胞濃度と死細胞率の検出2019

    • 著者名/発表者名
      西林 健人, 川嶋 大介, Liu Xiayi, 小原 弘道, 武居 昌宏
    • 学会等名
      日本機械学会 第32回バイオエンジニアリング講演会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 細胞スフェロイドの電気特性計測に基づく誘電特性解析2019

    • 著者名/発表者名
      浅川瑞光, 菅原 路子, 川嶋 大介, 小原 弘道, 武居 昌宏
    • 学会等名
      日本機械学会 第32回バイオエンジニアリング講演会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Visualization of Dead Cell Ratio in Inhomogeneous Cell Volume Fraction Field by Electrical Impedance Spectro-Tomography2019

    • 著者名/発表者名
      Daisuke Kawashima, Kento Nishibayashi, Hiromichi Obara, Masahiro Takei
    • 学会等名
      10th Asian-Pacific Conference on Biomechanics (AP Biomech 2019)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Monitoring of Cell’s Properties by using Tiny Sensor based on Electrical Impedance Spectroscopy2019

    • 著者名/発表者名
      Kyosuke Ito, Daisuke Kawashima, Masahiro Takei
    • 学会等名
      10th Asian-Pacific Conference on Biomechanics (AP Biomech 2019)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Cell Type Identification based on Ion Transport through Cell Membrane2019

    • 著者名/発表者名
      Songshi Li, Daisuke Kawashima, Michiko Sugawara, Hiromichi Obara, Masahiro Takei
    • 学会等名
      10th Asian-Pacific Conference on Biomechanics (AP Biomech 2019)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Dead Cell Concentration Imaging in Microchannel by EIT2019

    • 著者名/発表者名
      Daisuke Kawashima, Kento Nishibayashi, Hiromichi Obara, Masahiro Takei
    • 学会等名
      20th International Conference on Biomedical Applications of Electrical Impedance Tomography
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 電気インピーダンス・スペクトロスコピー法を利用した懸濁液下における細胞から生じるイオン流束の計測2019

    • 著者名/発表者名
      川嶋 大介, 李 淞什, 菅原 路子, 小原 弘道, 武居 昌宏
    • 学会等名
      混相流シンポジウム2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 虚部インピーダンス・スペクトルを利用したマイクロ流路内の死細胞センシング2019

    • 著者名/発表者名
      西林 健人, 川嶋 大介, 小原 弘道, 武居 昌宏
    • 学会等名
      可視化情報シンポジウム2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] マイクロチャンネル断面内の虚部インピーダンス変化を利用した死細胞率の可視・定量化2019

    • 著者名/発表者名
      西林 健人, 川嶋 大介, Liu Xiayi, 小原 弘道, 武居 昌宏
    • 学会等名
      第58回 日本生体医工学会大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [産業財産権] 細胞イメージング用電気インピーダンス・トモグラフィセンサおよび細胞イメージング装置2021

    • 発明者名
      武居昌宏,川嶋大介
    • 権利者名
      武居昌宏,川嶋大介
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2021-143223
    • 出願年月日
      2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書

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公開日: 2019-05-29   更新日: 2024-03-26  

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