超高速細胞システム特性計測

2013 年度 実績報告書

• 研究領域: 超高速バイオアセンブラ
• 研究課題/領域番号: 23106003
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 金子 真 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70224607)
• 研究分担者: 東森 充 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30346522) ; 多田隈 建二郎 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (30508833)
• 研究期間 (年度): 2011-07-25 – 2016-03-31
• キーワード: 細胞変形能 / 細胞変形回復能 / 細胞伸展能 / 高速ビジョン / 高速アクチュエータ

研究概要

平成２５年度は、細胞ストレス試験データ取得に向け、はじめに高速アクチュエータのバックラッシュレス化（研究分担者：多田隈建二郎）、さらに高速アクチュエータ・高速ビジョンで構成されるフィードバックシステムの制御ソフトウェアの改良（研究分担者：東森充）を行なった。
その後、細胞ストレス試験の詳細実験及び細胞ストレス試験を行い（研究代表者：金子真、研究分担者：多田隈建二郎）、発生する細胞表面の”あざ”の正体について考察した。細胞を極細マイクロ流路内に繰り返し往復運動させていると、ストレス印加回数に応じて細胞伸展特性と細胞変形回復特性が徐々に低下し、やがて細胞表面に”あざ”のようなものが現れ、その後、両特性性能とも一気に悪くなる傾向を示すことがわかった。平成２５年度に得られた興味深い知見は、細胞長さが変化しなくなるストレス印加回数が一回目の伸展特性と強い相関を示すことである。このことは数百回～数千回ものストレス印加を細胞に加えなくても、わずか一回のストレス印加で細胞のストレスに対する影響を見積もることができるため、超高速細胞特性評価という本研究の目的達成にはきわめて重要な知見である。
さらに往復運動中に現れるあざを共焦点顕微鏡で観察することを試みた（研究代表者：金子真）が、細胞制御用の光学系と共焦点顕微鏡用の光学系が互いに干渉してしまい、静止細胞に対しては画像データが取得できたものの、ストレス試験中の細胞の細胞画像取得には至らなかった。ただし、光学系を工夫することによって、両者の干渉を避ける方法が見いだせたことは次のステップに繋げるという意味において意義深いと考える。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

超高速細胞特性計測という本研究の元々の目的に対して、すでに最大４００個/秒で細胞変形能計測を実現している。さらに平成２４年度に細胞ストレス試験という当初計画にない新たしい細胞特性評価方法を提案し、統計的評価を行うとともに、わずか一回のストレス試験で、その細胞がどの程度のストレスに耐えられるかという予測方法まで開発していることが、当初の計画以上に進展していると判断する主な理由である。

今後の研究の推進方策

平成２６年度以降、二つの方向性を考えている。
①計測精度の向上：細胞特性には必ずばらつきがあるため、統計的処理を行わざるを得ない。一方、計測系の測定精度が悪いと、統計的処理して得られたばらつきが細胞集団本来のばらつきなのか、計測系に起因するばらつきなのか分離できない。細胞集団本来のばらつきを抽出するため、アクチュエータ系の位置決め分解能向上を目指した新しいアクチュエータシステムにチャレンジする。アイデアについては予備実験が終わった段階である。
②能動的良細胞生成：能動的に細胞にアクションを加え，細胞自体の活性度を向上させる方法にもチャレンジする。この点についてもすでに予備実験を行い、いままでに報告されていない新しい力学ベースの細胞活性化法の有効性を確認している。

研究成果

• [雑誌論文] Red blood cell fatigue evaluation based on the close-encountering point between Extensibility and Recoverability (2014)
  • 著者名/発表者名: Sakuma S, Kuroda K, Tsai C, Fukui W, Arai F and Kaneko M
  • 雑誌名: Lab on a Chip 巻: 14 ページ: 1135-1141
  • DOI: 10.1039/c3lc51003d
  • 査読あり
• [雑誌論文] A New Dimensionless Index for Evaluating Cell Stiffness-based Deformability in Microchannel (2014)
  • 著者名/発表者名: Tsai C, Sakuma S, Arai F, Kaneko M
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Biomedical Engineering 巻: 61 ページ: 1187-1195
  • DOI: 10.1109/TBME.2013.2296624
  • 査読あり
• [雑誌論文] A device for the rapid transfer/transplantation of living cell sheets with the absence of cell damage (2013)
  • 著者名/発表者名: Tadakuma K, Tanaka N, Haraguchi Y, Higashimori M, Kaneko, M, Shimizu T, Yamato M, and Okano T.
  • 雑誌名: Biomaterials 巻: 34 ページ: 9018-9025
  • DOI: 10.1016/j.biomaterials.2013.08.006
  • 査読あり
• [雑誌論文] Splitting culture medium by air-jet and rewetting for the assessment of the wettability of cultured epithelial cell surfaces (2013)
  • 著者名/発表者名: Tanaka N, Kondo M, Uchida R, Kaneko M, Sugiyama H, Yamato M, and Okano T
  • 雑誌名: Biomaterials 巻: 34 ページ: 9082-9088
  • DOI: 10.1016/j.biomaterials.2013.08.029
  • 査読あり
• [雑誌論文] A novel heart failure mice model of hypertensive heart disease by angiotensin II infusion, nephrectomy, and salt loading (2013)
  • 著者名/発表者名: Tsukamoto Y, Mano T, Sakata Y, Ohtani T, Takeda Y, Tamaki S, Omori Y, Ikeya Y, Saito Y, Ishii R, Higashimori M, Kaneko M, Miwa T, Yamamoto K, and Komuro I
  • 雑誌名: Journal of Physiology - Heart and Circulatory Physiology 巻: 305 ページ: H1658-H1667
  • DOI: 10.1152/ajpheart.00349.2013
  • 査読あり
• [雑誌論文] Interleukin-16 promotes cardiac fibrosis and myocardial stiffening in heart (2013)
  • 著者名/発表者名: Tamaki S, Mano T, Sakata Y, Ohtani T, Takeda Y, Kamimura D, Omori Y, Tsukamoto Y, Ikeya Y, Kawa M, Kumanogoh A, Hagihara K, Ishii R, Higashimori M, Kaneko M, Hasuwa H, Miwa T, Yamamoto K, and Komuro I
  • 雑誌名: PLOS ONE 巻: 8 ページ: e68893
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0068893
  • 査読あり
• [学会発表] Image-Based Screening for Erythrocyte Characteristics of Patients Receiving Dialysis Service (2013)
  • 著者名/発表者名: Tsai C, Yoshikawa S, Sakuma S, Arai F, Kaneko M
  • 学会等名: ASN Kidney Week 2013 Annual Meeting
  • 発表場所: Atlanta, USA
  • 年月日: 20131111-20131116
• [学会発表] Realtime Cell Tracking in a Microchannel (2013)
  • 著者名/発表者名: Yoshikawa S, Tsai C, Sakuma S, Arai F, Kaneko M
  • 学会等名: The 10th Int. Conf. on Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence
  • 発表場所: Jeju, Korea
  • 年月日: 20131030-20131102
• [学会発表] Normalization of Flow-in Velocity for Improving the Evaluation on Cell Deformability (2013)
  • 著者名/発表者名: Tsai C, Sakuma S, Kaneko M, Arai F
  • 学会等名: IEEE Int. Conf. on Mechatronics and Automation
  • 発表場所: Takamatsu, Japan
  • 年月日: 20130804-20130807
• [学会発表] Distinct Patterns of Cell Motion Inside a Micro-Channel under Different Osmotic Conditions (2013)
  • 著者名/発表者名: Tsai C, Sakuma S, Arai F, Kaneko M
  • 学会等名: 35th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society
  • 発表場所: Osaka, Japan
  • 年月日: 20130703-20130707
• [学会発表] Observability of Cell Stiffness in Micro-Channel Method (2013)
  • 著者名/発表者名: Tsai C, Sakuma S, Arai F, Kaneko M
  • 学会等名: IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation
  • 発表場所: Karlsruhe, Germany
  • 年月日: 20130506-20130510
• [備考] マイクロ流路を用いた超高速・超高分解能細胞変形能計測装置
  • URL: http://www.dma.jim.osaka-u.ac.jp/html/seeds/ja/2254/10681490/O130001_kaneko.pdf