プラズマ電荷刺激の生成輸送制御による細胞応答誘導機構

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H02311
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 佐藤 岳彦 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (10302225)
• 研究分担者: 金澤 誠司 大分大学, 理工学部, 教授 (70224574) ; 矢野 憲一 熊本大学, パルスパワー科学研究所, 教授 (70311230) ; 金子 俊郎 東北大学, 工学研究科, 教授 (30312599) ; 伊賀 由佳 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (50375119) ; 宮原 高志 静岡大学, 工学部, 教授 (70239432) ; 奥村 賢直 一関工業高等専門学校, その他部局等, 助教 (60801149)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: バイオ流体工学 / 電荷細胞学 / プラズマ流 / 細胞応答 / 電荷輸送 / マイクロジェット / ナノバブル

研究実績の概要

本研究は，プラズマが生成する電荷刺激による細胞応答を明らかにすることで，電荷と細胞の相互作用機構を明らかにし，新しい学理である電荷細胞学の基礎となる学理の解明を目的とする．
平成30年度は，平成29年度に作製した電荷刺激を細胞に与える装置を利用して，詳細な電荷刺激に対する細胞応答の解析を進めた．電荷刺激は，プラズマ発生用のパルス電源を改良し，電流の立ち下がりを早めるためにバイパス抵抗と保護抵抗の比を変更した装置で与えた．電荷刺激は電流パルスとして与え，最大電流200-220 mAで印加時間は200 ns程度，100 Hz，印加電圧990V-1000Vの条件で与えた．塩橋を介すことで化学種の影響を排除し，電荷刺激印加中のpH値と温度は，電流パルスを印加しない場合と概ね同じ値となることを確認した．細胞応答については，形状，生存率，遊走性，増殖性について検討した．電荷刺激による生存率の変化は見られなかったが，細胞形状が大きくなる現象が観察された．運動能を確認するために，細胞骨格を担うアクチンフィラメントとチューブリンの状態を蛍光染色により観察したところ，アクチンフィラメントのみが進展し，細胞形状が大きくなることを明らかにした．この成果は，Journal Physics D: Applied Physicsに掲載された．また，平成29年度に取り組んだ指向性マイクロジェットの発生原理に関わる研究についても，平成30年度に成果を取りまとめ，Applied Physics Lettersに掲載した．さらに，平成28年度から取り組んできた，細胞への電荷直接刺激法の一つとして極微小ストリーマ生成で優位性のある負極性ストリーマの進展・分岐機構の成果も取りまとめ，Journal of Applied Physicsに掲載した．

現在までの達成度 (段落)

平成30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

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Effect of plasma-generator-supplied nanosecond pulsed current on cell response (2019)
  • 著者名/発表者名: Chia-Hsing Chang, Ken-ichi Yano, Takamasa Okumura and Takehiko Sato
  • 雑誌名: Journal of Physics D: Applied Physics 巻: 52（18） ページ: 185402/1-8
  • DOI: 10.1088/1361-6463/ab0733
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Propagation and Branching Process of Negative Streamers in Water (2018)
  • 著者名/発表者名: Ryo Kumagai, Seiji Kanazawa, Kiyonobu Ohtani, Atsuki Komiya, Toshiro Kaneko, Tomoki Nakajima, and Takehiko Sato
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 124(16) ページ: 163301/1-7
  • DOI: 10.1063/1.5025376
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Jetting from Cavitation Bubbles due to Multiple Shockwaves (2018)
  • 著者名/発表者名: Outi Supponen, Takahito Akimura, Tomoya Minami, Tomoki Nakajima, Satoshi Uehara, Kiyonobu Ohtani, Toshiro Kaneko, Mohamed Farhat, and Takehiko Sato
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 113(19) ページ: 193703/1-4
  • DOI: 10.1063/1.5060645
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 表面電位計を用いた放電に伴う水中電荷量計測 (2019)
  • 著者名/発表者名: 上原聡司, 佐藤旭, 清水鉄司, 佐藤岳彦
  • 学会等名: 2019年度静電気学会春期講演会
• [学会発表] 電界刺激による細胞応答のタイムラプス観察 (2019)
  • 著者名/発表者名: 多田隼都, 張家興, 上原聡司, 中嶋智樹, 矢野憲一, 佐藤岳彦
  • 学会等名: 日本機械学会東北支部第54期総会・講演会
• [学会発表] Formation process of fine bubbles by plasma in water (2018)
  • 著者名/発表者名: Takehiko Sato, Ryo Kumagai, Takashi Miyahara, Masanobu Oizumi, Tatsuyuki Nakatani, Shiroh Ochiai, Takamichi Miyazaki, Hidemasa Fujita, Seiji Kanazawa, Kiyonobu Ohtani, Atsuki Komiya, Toshiro Kaneko, Tomoki Nakajima, Marc Tinguely, and Mohamed Farhat
  • 学会等名: International Symposium on Application of High-voltage, Plasmas & Micro/Nano Bubbles (Fine Bubbles) to Agriculture and Aquaculture (ISHPMNB2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Numerical Analysis on Charge Transfer and Potential Change in Water after Single Pulsed Discharge to the Water Surface (2018)
  • 著者名/発表者名: Akira Sato, Kazuyuki Ueno, and Takehiko Sato
  • 学会等名: International Symposium on Application of High-voltage, Plasmas & Micro/Nano Bubbles (Fine Bubbles) to Agriculture and Aquaculture (ISHPMNB2018)
  • 国際学会
• [学会発表] 水中負ストリーマの進展過程の可視化解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 熊谷諒, 金澤誠司, 大谷清伸, 小宮敦樹, 金子俊郎, 中嶋智樹, 佐藤岳彦
  • 学会等名: 放電／プラズマ・パルスパワー合同研究会
• [学会発表] Cell Response to Pulsed Current Modeled after Atmospheric Pressure Plasma (2018)
  • 著者名/発表者名: Chia-Hsing Chang, Ken-ichi Yano, Takamasa Okumura, and Takehiko Sato
  • 学会等名: 7th International Conference on Plasma Medicine (ICPM-7)
  • 国際学会
• [学会発表] 針－水面放電に伴う水中電荷移動計測 (2018)
  • 著者名/発表者名: 上原聡司, 佐藤旭, 清水鉄司, 佐藤岳彦
  • 学会等名: 2018年度第42回静電気学会全国大会
• [学会発表] Mechanism of propagation of underwater negative streamer (2018)
  • 著者名/発表者名: Ryo Kumagai, Seiji Kanazawa, Kiyonobu Ohtani, Atsuki Komiya, Toshiro Kaneko, Tomoki Nakajima, and Takehiko Sato
  • 学会等名: 18th International Symposium on Advanced Fluid Information (AFI-2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Directional control of micro-jets from cavitation bubbles subject to multiple pressure waves (2018)
  • 著者名/発表者名: Takahito Akimura, Tomoya Minami, Outi Supponen, Tomoki Nakajima, Satoshi Uehara, Kiyonobu Ohtani, Toshiro Kaneko, Mohamed Farhat, and Takehiko Sato
  • 学会等名: 18th International Symposium on Advanced Fluid Information (AFI-2018)
  • 国際学会
• [学会発表] HT-1080 Cell Response to Nanosecond Pulsed Current Modeled after Atmospheric Pressure Plasma (2018)
  • 著者名/発表者名: Chia-Hsing Chang, Ken-ichi Yano, and Takehiko Sato
  • 学会等名: 15th International Conference on Flow Dynamics (ICFD2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Atmospheric Pressure Plasma Flow for Bio-medical Applications (2018)
  • 著者名/発表者名: Takehiko Sato
  • 学会等名: Technical Workshop of Biomedical Sensor and Network Project in International Joint Research Laboratory between NCTU and Tohoku Univ
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Propagation mechanism of underwater streamer and formation of fine bubbles (2018)
  • 著者名/発表者名: Takehiko Sato
  • 学会等名: Lecture at National Chiao Tung University
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Propagation process of underwater negative streamer (2018)
  • 著者名/発表者名: Ryo Kumagai, Seiji Kanazawa, Kiyonobu Ohtani, Atsuki Komiya, Toshiro Kaneko, Tomoki Nakajima, and Takehiko Sato
  • 学会等名: 5th Taiwan-Japan Workshop on Plasma Life Science and Technology (TJPL2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Surface potential and charge transfer of needle-water discharge for different applied voltage (2018)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Uehara, Akira Sato, and Takehiko Sato
  • 学会等名: 5th Taiwan-Japan Workshop on Plasma Life Science and Technology (TJPL2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Effect of exposure to electrical pulse current on cell response (2018)
  • 著者名/発表者名: Chia-Hsing Chang, Kenichi Yano, and Takehiko Sato
  • 学会等名: 5th Taiwan-Japan Workshop on Plasma Life Science and Technology (TJPL2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Development of non-contact measurement on charge behavior in water associated with needle-water discharge (2018)
  • 著者名/発表者名: Akira Sato, Satoshi Uehara, Tomoki Nakajima, and Takehiko Sato
  • 学会等名: 5th Taiwan-Japan Workshop on Plasma Life Science and Technology (TJPL2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Generation of Fine Bubbles by Underwater Plasma Discharge (2018)
  • 著者名/発表者名: Takehiko Sato, Ryo Kumagai, Takashi Miyahara, Masanobu Oizumi, Tatsuyuki Nakatani, Shiroh Ochiai, Takamichi Miyazaki, Hidemasa Fujita, Seiji Kanazawa, Kiyonobu Ohtani, Atsuki Komiya, Toshiro Kaneko, Tomoki Nakajima, Marc Tinguely, and Mohamed Farhat
  • 学会等名: 28th Annual Meeting of MRS-Japan 2018
  • 国際学会 / 招待講演