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2020 年度 実施状況報告書

生体外モデルデバイスの細胞代謝リアルタイムモニタリング技術に関する日独共同研究

研究課題

研究課題/領域番号 18KK0306
研究機関京都先端科学大学

研究代表者

田畑 修  京都先端科学大学, 工学部, 教授 (20288624)

研究分担者 亀井 謙一郎  京都大学, 高等研究院, 准教授 (00588262)
平井 義和  京都大学, 工学研究科, 助教 (40452271)
四竈 泰一  京都大学, 工学研究科, 准教授 (80456152)
山本 暁久  京都大学, 高等研究院, 特定助教 (90706805)
巽 和也  京都大学, 工学研究科, 准教授 (90372854)
研究期間 (年度) 2018-10-09 – 2022-03-31
キーワード生体外モデルデバイス / 細胞代謝 / リアルタイムモニタリング
研究実績の概要

平井と田畑は,前年度の成果である流れ場・圧力場の変動を生成可能な流体コンプライアンス要素の設計方法と合わせ,デバイス全体の構成や作製プロセスを検討した。その結果をもとに、プロトタイプのマイクロ流体制御システムを作製し、実験と解析結果を比較して機能の検証を行った。マイクロ流体制御システムの構造材料に起因するノイズについて、KITのグループとの議論を開始した。
亀井は、ヒトES/iPS細胞から分化誘導した肝実質細胞の高機能化を実現する新しい環境を創出することに成功した。特に、分化誘導中の細胞に進展刺激を繰り返し加えることによって、肝機能として重要なCytochrome P450 3A4やアルブミン酸性の増強が確認できた。
四竃は、単一光ファイバ内視鏡とダイヤモンドセンサを用いて室温付近における空間分解温度計測を実証した。また、内視鏡にポリマー導波路を使用した際に導波路の熱膨張で起こる空間分解能の低下を評価した。
巽は、これまで開発してきた1細胞のカプセル化システムについて、流路と電極の改良設計により細胞位置制御への流れと粒子密度の影響を軽減し、さらに流路壁面処理と流体成分調整により液滴生成周期と安定性を増大させることで、粒子・細胞カプセル化の収率をこれまでの40%から80%まで高めることに成功した。
山本は、細胞株や分化状態が異なる細胞・オルガノイド変形モード解析を行い、二次元自己相関関数やパワースペクトルの特徴的パターンや、Prof. Tanakaらと共同で糖代謝活性に応じた細胞染色画像の色相の変化を示した。また、Prof. Tanaka、Prof. Bastmeyerらと共同で、電界紡糸法を用いて生体親和性ゲルのナノファイバーをマイクロピラー上に積層させた三次元細胞足場の開発を進めた。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

新型コロナウイルス感染拡大の影響で,共用実験設備(ナノテクノロジープラットフォーム)を利用した実験を延期し,またドイツでの共同実験を断念して実験はドイツ側の共同研究者に依頼して実施している。これらのため,当初予定した進捗からはやや遅れている。当初より開催を予定していたワークショップは2020年12月11日にオンラインで実施した。進捗に大きな遅れはない。

今後の研究の推進方策

平井と田畑は流れ場・圧力場の変動を生成可能な流体コンプライアンス要素を実装したマイクロ流体制御システムとKITのグループが保有するNMR装置との融合を目指したデバイス改良を進める。またオルガノイド培養や代謝物のリアルタイム測定を行い、AnalyticBoC(A-BoC)に必要な機能や性能を有することを示す。
亀井は2020年度に成功した高機能化肝臓細胞株やヒトES/iPS細胞由来肝実質細胞を用いた病態モデルの開発に取り組む。また、A-BoCに実装できる微小NMRの開発に取り組み、高脂肪肝細胞の糖代謝・脂質代謝・アミノ酸代謝を解析できる実験系の条件検討を行う。
四竃は、これまでに構築した単一MMF内視鏡システムと組み合わせる温度センサである蛍光ダイヤモンド粒子の性能評価を行う。クライオスタットを用いて低温にした粒子の蛍光スペクトルを計測し、NV中心密度と結晶格子ひずみを評価する。また、複数の粒子について計測を行い、粒子依存性を確認する。並行して、KITのNMRシステムに導入するための取り合い設計を行う。
巽はA-BoCにおける細胞の位置制御および1細胞代謝活動や抗生物質の効能の評価を目的として、細胞の位置制御と封入技術の処理能力を向上させるとともに、供給と封入する粒子・細胞の多系統化と並列化したデバイスの開発を行う。
山本は細胞・オルガノイド変形ダイナミクスの時空間全モード解析の手法を用い、メタボリックシンドローム疾患モデルの動的変形パターンを定量する。細胞分化状態や代謝状態を形態ダイナミクスから評価する手法を確立する。またKIT・ハイデルベルクの研究者とともに、力学的特性を可逆的に制御できる生体親和性材料を用いた三次元細胞培養基材の開発を行い、細胞活性をリアルタイムに制御できる微小環境モデルを構築する。

次年度使用額が生じた理由

新型コロナの感染拡大の影響で全てのドイツ出張を見送り,当初ドイツに出張して対面で実施予定であったワークショップを2020年11月12日にオンラインで実施すると共に,ドイツでの共同実験を全てドイツ側の共同研究者が実施したことが,次年度使用額が発生した主な理由である。感染拡大が収束次第,ドイツに出張し,現地での共同実験を実施する予定である。

  • 研究成果

    (18件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 3件、 査読あり 6件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 4件、 招待講演 1件) 備考 (1件) 学会・シンポジウム開催 (1件)

  • [国際共同研究] カールスルーエ工科大学/ハイデルベルグ大学(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      カールスルーエ工科大学/ハイデルベルグ大学
  • [国際共同研究] ジュネーブ大学(スイス)

    • 国名
      スイス
    • 外国機関名
      ジュネーブ大学
  • [雑誌論文] Particle timing and spacing control in microchannel flow by applying periodic force over space and time2021

    • 著者名/発表者名
      Tatsumi Kazuya、Noma Atsushi、Honma Renato、Kuriyama Reiko、Nakabe Kazuyoshi
    • 雑誌名

      Microfluidics and Nanofluidics

      巻: 25 ページ: 6462~6470

    • DOI

      10.1007/s10404-020-02416-5

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Design Strategy of Electrode Patterns Based on Finite Element Analysis in Microfluidic Device for Trans-Epithelial Electrical Resistance (TEER) Measurement2020

    • 著者名/発表者名
      Miyazaki Takashi、Hirai Yoshikazu、Kamei Ken-ichiro、Tsuchiya Toshiyuki、Tabata Osamu
    • 雑誌名

      IEEJ Transactions on Sensors and Micromachines

      巻: 140 ページ: 285~292

    • DOI

      10.1541/ieejsmas.140.285

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Design strategy of electrode patterns based on finite element analysis in microfluidic device for Trans‐Epithelial Electrical Resistance (TEER) measurement2020

    • 著者名/発表者名
      Miyazaki Takashi、Hirai Yoshikazu、Kamei Ken‐ichiro、Tsuchiya Toshiyuki、Tabata Osamu
    • 雑誌名

      Electronics and Communications in Japan

      巻: 104 ページ: 285~292

    • DOI

      10.1002/ecj.12296

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Recapitulation of Human Embryonic Heartbeat to Promote Differentiation of Hepatic Endoderm to Hepatoblasts2020

    • 著者名/発表者名
      Yoshimoto Koki、Minier Nicolas、Yang Jiandong、Imamura Satoshi、Stocking Kaylene、Patel Janmesh、Terada Shiho、Hirai Yoshikazu、Kamei Ken-ichiro
    • 雑誌名

      Frontiers in Bioengineering and Biotechnology

      巻: 8 ページ: 1~11

    • DOI

      10.3389/fbioe.2020.568092

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] A tesla-order magnetic field effect on all-optical thermometry using photoluminescence spectrum of diamond NV? center2020

    • 著者名/発表者名
      Shikama Taiichi、Watanabe Takato、Jouda Mazin、Hasuo Masahiro
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 60 ページ: 012001~012001

    • DOI

      10.35848/1347-4065/abcadb

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Glycogen accumulation, central carbon metabolism, and aging of hematopoietic stem and progenitor cells2020

    • 著者名/発表者名
      Poisa-Beiro Laura、Thoma Judith、Landry Jonathan、Sauer Sven、Yamamoto Akihisa、Eckstein Volker、Romanov Natalie、Raffel Simon、Hoffmann Georg F.、Bork Peer、Benes Vladimir、Gavin Anne-Claude、Tanaka Motomu、Ho Anthony D.
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 10 ページ: 1-11

    • DOI

      10.1038/s41598-020-68396-2

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Measurement of Trans-Epithelial Electrical Resistance in Organ-on-a-Chip2020

    • 著者名/発表者名
      Takashi Miyazaki, Jiandong Yang, Satoshi Imamura, Yoshikazu Hirai, Ken-ichiro Kamei, Toshiyuki Tsuchiya, Osamu Tabata
    • 学会等名
      The 34th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (IEEE MEMS 2021)
    • 国際学会
  • [学会発表] In Vitro Modeling of Non-Alcoholic Fatty Liver Disease by Integrated Gut-Liver on a Chip2020

    • 著者名/発表者名
      Jiandong Yang, Yoshikazu Hirai, Ken-ichiro Kamei, Marika Trumm, Toshiyuki Tsuchiya, Osamu Tabata
    • 学会等名
      The 2020 MRS Spring/Fall Meeting and Exhibit, Online (December, 2020)
    • 国際学会
  • [学会発表] Heart-Liver on a Chip Integrated with a Microelectrode Array to Monitor Extracellular Field Potentials of Cardiomyocytes2020

    • 著者名/発表者名
      Dongxiao Zhang, Yoshikazu Hirai, Ken-ichiro Kamei, Osamu Tabata, Toshiyuki Tsuchiya
    • 学会等名
      The 24th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (MicroTAS 2020)
    • 国際学会
  • [学会発表] Microfluidic Platform Fabricated by Three-Dimensional Lithography Enables Drug Test and Disease Modeling in vitro2020

    • 著者名/発表者名
      Yoshikazu Hirai
    • 学会等名
      The 15th IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems (IEEE-NEMS2020)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 経上皮電気抵抗測定の高精度化に向けたOrgans-on-a-Chipの設計法2020

    • 著者名/発表者名
      宮崎貴史, 平井義和, 亀井謙一郎, 田畑修, 土屋智由
    • 学会等名
      第37回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
  • [学会発表] 細胞外電位計測を目的としたパリレン製微小電極アレイのボディ・オン・チップ への集積2020

    • 著者名/発表者名
      張東暁, 平井義和, 亀井謙一郎, 田畑修, 土屋智由
    • 学会等名
      第11回マイクロ・ナノ工学シンポジウム
  • [学会発表] 非アルコール性脂肪性肝疾患を再現する肝臓-小腸・オン・チップ2020

    • 著者名/発表者名
      亀井謙一郎, 楊建東, 飯田慶, 寺田志穂, 土屋智由, 田畑修, 平井義和
    • 学会等名
      化学とマイクロ・ナノシステム学会第42回研究会
  • [学会発表] マイクロ流路内での1液滴1粒子封入の100%収率を目指して2020

    • 著者名/発表者名
      馬淵研一,栗山怜子, 巽和也, 中部主敬
    • 学会等名
      流体力学会年会
  • [備考] Hekksagon

    • URL

      http://www.oc.kyoto-u.ac.jp/network/hekksagon/

  • [学会・シンポジウム開催] of Cellular MetabolismWorkshop on “Creation of Real Time Monitoring Technology in Vitro Model Device”2020

URL: 

公開日: 2021-12-27  

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