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超瞬間レーザー解凍による次世代細胞凍結保存技術の確立とバイオバンキングへの展開

研究課題

研究課題/領域番号 23K21071
補助金の研究課題番号 21H01783 (2021-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2021-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分28050:ナノマイクロシステム関連
研究機関信州大学

研究代表者

秋山 佳丈  信州大学, 学術研究院繊維学系, 教授 (80585878)

研究分担者 保地 眞一  信州大学, 学術研究院繊維学系, 教授 (10283243)
諫田 泰成  国立医薬品食品衛生研究所, 薬理部, 部長 (70510387)
研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円)
2024年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
2023年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
2022年度: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
2021年度: 7,410千円 (直接経費: 5,700千円、間接経費: 1,710千円)
キーワード凍結保存 / 急速解凍 / レーザ加熱 / レーザ解凍
研究開始時の研究の概要

従来の凍結保存法では、凍結保護剤の添加が必須であるにもかかわらず、その毒性や分化誘導効果などが問題となっていた。それに対し、代表者は、細胞を微小液滴化し超瞬間的に凍結することで、凍結保護剤フリーで細胞を凍結保存することに世界で初めて成功した。本研究では、液滴のさらなる微小化により冷却速度を究極的に高めると共に、液滴単独解凍やレーザ加熱により解凍工程も超瞬間的に行う技術を開発し、次世代凍結保存技術を確立する。そして、医療において特に重要な幹細胞や生殖細胞、凍結困難な微生物等バイオリソースへと展開し、その実用化を目指す。

研究実績の概要

本研究では、従来のように凍結保護剤により化学的もしくは生物学的に細胞内外の水をガラス化するのではなく、物理的アプローチにより凍結および解凍の速度を究極的に高めることで、様々な細胞に対応可能な凍結保護剤フリーの次世代凍結保存技術を創出することを目指している。この新しい凍結保存技術の確立に向けて、本年度は以下の項目に取り組んだ。
1.超瞬間凍結法の凍結困難サンプルへの適用:2つの凍結困難サンプルに超瞬間凍結法の適用を試みた。具体的には、低温保存も難しく保存期間が一週間程度と短いヒト血小板および共生関係などからバイオリソースとして注目されるゾウリムシを対象とした。血小板は数マイクロメートルと微小ではあるが、凍結により大幅な機能低下が知られる。インクジェット凍結したものが惹起物質による凝集能を保持していることを確認した。ゾウリムシについては、動物細胞に比べて大型のため、まず100マイクロメートルを越えるサンプルを安定して吐出可能な技術を確立した。そして凍結保存を行なったが、生きたゾウリムシは回収できなかった。
2.レーザ加熱による超瞬間解凍:レーザ照射による解凍をおこなったが、レーザ出力の調整等が難しく、適切な解凍ができなかった。
3.液滴単独落下による超瞬間解凍:液滴単独落下による超瞬間解凍法を完成させた。細胞を含むインクジェット液滴を液体窒素冷却した凍結基板上に堆積させた後に、基板から液滴のみを衝撃で落下させることで、液滴単独で解凍出来る技術を確立した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

レーザ解凍に関しては十分な進捗が得られなかったが、血小板凍結における良好な結果が得られ、さらに血小板凍結に関連して新たな改良をインクジェット凍結に加えることが出来たことから、概ね予定通り進んでいると考えられる。

今後の研究の推進方策

本年度は,以下を予定している.
1.超瞬間凍結法の凍結困難サンプルへの適用:超瞬間凍結法により凝集能を保持したままヒト血小板を凍結できることが確認できたので、凍結血小板の詳細な評価を行ない、その有効性を検証する。また、ゾウリムシについては、各種凍結保護剤の可能性を検討すると共に、凍結保存技術確立を目指す。
2.レーザ加熱による超瞬間解凍:過加熱となり試料を損傷しないようなレーザ解凍条件を有限要素解析等を利用し探索する。それによりレーザによる超瞬間解凍技術の確立を目指す。

報告書

(3件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (18件)

すべて 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (14件) (うち国際学会 3件、 招待講演 2件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] ゾウリムシの凍結保存技術の実用化2023

    • 著者名/発表者名
      藤島 政博、芳賀 信幸、秋山 佳丈、渡部 広機、児玉 有紀
    • 雑誌名

      低温生物工学会誌

      巻: 69 号: 2 ページ: 41-47

    • DOI

      10.20585/cryobolcryotechnol.69.2_41

    • ISSN
      1340-7902, 2424-1555
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Cryodevices developed for minimum volume cooling vitrification of bovine oocytes2022

    • 著者名/発表者名
      Hochi Shinichi
    • 雑誌名

      Animal Science Journal

      巻: 93 号: 1

    • DOI

      10.1111/asj.13683

    • 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
  • [雑誌論文] 凍結保護剤フリー細胞凍結保存のための衝撃液滴離脱による超瞬間解凍法2021

    • 著者名/発表者名
      渡部 広機, 湯浅 裕太, 秋山 佳丈
    • 雑誌名

      低温生物工学会誌

      巻: 67 号: 2 ページ: 121-124

    • DOI

      10.20585/cryobolcryotechnol.67.2_121

    • NAID

      130008119841

    • ISSN
      1340-7902, 2424-1555
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Development of impact-induced droplet releasing method for superflash thawing in cryoprotectant-free cryopreservation2023

    • 著者名/発表者名
      Hiroki Watanabe, Yoshitake Akiyama
    • 学会等名
      36th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 超瞬間凍結法における二糖類による細胞生存率の向上2023

    • 著者名/発表者名
      瀧川智菜、渡部広機、秋山佳丈
    • 学会等名
      第68回 低温生物工学会大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Assessment of vitrification state of superflash frozen droplets based on fluorescence self-quenching2022

    • 著者名/発表者名
      H. Watanabe, Y.Yuasa Y. Akiyama
    • 学会等名
      CRYO2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Cryoprotectant Agent-free Cell Cryopreservation by Superflash Freezing Using Inkjet Cell Printing2022

    • 著者名/発表者名
      Y. Akiyama
    • 学会等名
      International Symposium on Micro-NanoMechatronics and Human Science (MHS 2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 微小液滴を利用した超瞬間凍結による細胞凍結保存技術の開発2022

    • 著者名/発表者名
      秋山佳丈
    • 学会等名
      日本機械学会 2022年度年次大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] インクジェット超瞬間凍結法の高密度吐出によるハイスループット化に向けた検討2022

    • 著者名/発表者名
      湯浅裕太, 渡部広機, 秋山佳丈
    • 学会等名
      日本機械学会 2022年度年次大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 蛍光Self-quenchingによる超瞬間凍結された微小液滴のガラス化評価2022

    • 著者名/発表者名
      渡部広機, 湯浅裕太, 秋山佳丈
    • 学会等名
      日本機械学会 第13回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 保護剤フリー超瞬間凍結法のための蛍光Self-quenchingによるガラス化評価法の提案2022

    • 著者名/発表者名
      渡部広機, 湯浅裕太, 秋山佳丈
    • 学会等名
      Cryopreservation Conference 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 保護剤フリー超瞬間凍結法の高密度吐出によるハイスループット化に向けた検討2022

    • 著者名/発表者名
      湯浅裕太, 渡部広機, 秋山佳丈
    • 学会等名
      Cryopreservation Conference 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] インクジェット超瞬間凍結法のヒト幹細胞への応用2022

    • 著者名/発表者名
      渡部広機,諫田泰成,秋山佳丈
    • 学会等名
      第21回日本再生医療学会総会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 凍結保護剤フリー超瞬間凍結法における細胞数増加に向けた検討2021

    • 著者名/発表者名
      湯浅裕太, 渡部 広機 , 秋山佳丈
    • 学会等名
      Cryopreservation Conference 2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] インクジェットを用いた超瞬間細胞凍結法における生存率の凍結解凍速度への依存性2021

    • 著者名/発表者名
      渡部広機,湯浅裕太,秋山佳丈
    • 学会等名
      日本機械学会2021年度年次大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 超瞬間凍結された細胞の生存率向上に向けた自動解凍装置の基板落下における伝熱解析2021

    • 著者名/発表者名
      湯浅裕太, 渡部 広機 , 秋山佳丈
    • 学会等名
      ロボティクス・メカトロニクス講演会 (Robomech2021)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 凍結保護剤フリー細胞凍結法の高生存率化に向けた液滴単独落下解凍とその評価2021

    • 著者名/発表者名
      渡部広機,湯浅裕太,秋山佳丈
    • 学会等名
      第66回低温生物工学会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [産業財産権] 細胞凍結装置2021

    • 発明者名
      秋山佳丈,渡部広機,湯浅裕太
    • 権利者名
      国立大学法人信州大学
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2021-073792
    • 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: 2021-04-28   更新日: 2024-12-25  

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