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2021 年度 実績報告書

高精細電気計測による疼痛情報発生の細胞内メカニズム解明

研究課題

研究課題/領域番号 20H04498
研究機関東京大学

研究代表者

榛葉 健太  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (80792655)

研究分担者 高山 祐三  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 生命工学領域, 主任研究員 (60608438)
研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2023-03-31
キーワード疼痛 / 感覚神経細胞 / 脱髄 / 微小電極アレイ / 軸索
研究実績の概要

本研究では,マイクロデバイスを用いて軸索伸長および髄鞘化を制御し有髄・無髄状態を作り分け,HD-MEAを利用した高精度電気計測により痛み刺激に対する応答をサブ細胞レベルで計測する.本年度は,痛み刺激に対する応答計測,ヒト感覚神経細胞の分化誘導,および脱髄条件の検討を行った.
1) 痛み刺激に対する応答の計測:痛み刺激に対する応答計測として,ラット感覚神経細胞に対してカプサイシンを添加しての電気活動計測を実施した.細胞の興奮性を上昇させるためのKチャネル阻害剤である4-APを併用することで,持続的な発火を誘発することに成功した.信号は末梢側の軸索から発生し,細胞体へと軸索を逆行性に伝播する信号が計測できた.対照実験として,光遺伝学を用いて光応答性のタンパク質を発現させ,細胞体に対する光刺激での活動計測にも成功した.
2)ヒト感覚神経細胞の分化誘導:ヒトiPS細胞から感覚神経細胞を分化誘導した.形成された神経細胞は,Ca imagingおよび電気活動計測から機能的に成熟することが示された.活動を計測しながら周囲の温度を変化させたところ,温度に依存して活動頻度が変わる様子が観察された.よって,感覚神経細胞において重要な温度を感知する機能が獲得されたことが示された.
3)脱髄条件の検討:ラット感覚神経細胞の培養液にアスコルビン酸を添加し髄鞘を形成させたのち,シュワン細胞が増殖を開始するheregulinを添加した.48時間後に試料を固定し,電子顕微鏡による観察を行った.結果,髄鞘を形成していたシュワン細胞が軸索から離れる様子が観察された.よって,薬理的に脱髄を誘発できたことが示された.

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

本年度の目的は,痛み刺激に対する応答の計測と,脱髄条件の検討であった.
痛み刺激については,カプサイシンに対する応答を計測でき,信号の発生部位を特定できた.さらに,光刺激を併用することで,生理的な条件においても高密度電極アレイを用いて跳躍伝導を検出できることを確認できた.跳躍伝導の検出手法についての内容を,論文にまとめた.
脱髄条件については,heregulinの添加により48時間程度で脱髄が誘発されることを確認した.脱髄については,電子顕微鏡により詳細に観察できること,および蛍光顕微鏡による観察により生細胞の状態で簡易的に観察できることが分かった.これらの観察手法は,来年度の研究において,脱髄部位の電気的性質を評価するうえで有用である.
以上から,現在までの進捗状況について,おおむね順調であると評価した.

今後の研究の推進方策

今後は,これまでに得られた軸索の末梢端における活動の発生について詳細に評価する.今年度はカプサイシンを刺激として用いたが,痛みの発生を模擬した,高グルコースの負荷,脱髄の誘発,軸索における酵素の働きの阻害といった,実際の疾患の環境を模擬した条件でも実験を行う.それにより,末梢神経における痛みの発生部位を明らかにすることを目指す.加えて,ヒト感覚神経細胞についても検討を進め,ヒト細胞を用いた痛みの評価系の確立に向けた知見を得ることを目指す.

  • 研究成果

    (5件)

すべて 2022 2021

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (3件)

  • [雑誌論文] Recording Saltatory Conduction Along Sensory Axons Using a High-Density Microelectrode Array2022

    • 著者名/発表者名
      Shimba Kenta、Asahina Takahiro、Sakai Koji、Kotani Kiyoshi、Jimbo Yasuhiko
    • 雑誌名

      Frontiers in Neuroscience

      巻: 16 ページ: 854637

    • DOI

      10.3389/fnins.2022.854637

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Evaluating Axon Conduction Characteristics of Cultured Sensory Neurons Toward Soft Robot Control2022

    • 著者名/発表者名
      Kenta Shimba, Kiyoshi Kotani, Yasuhiko Jimbo
    • 雑誌名

      Journal of Robotics and Mechatronics

      巻: 34 ページ: 263-265

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 軸索の機能評価に向けたHD-MEA上へのマイクロトンネル形成2022

    • 著者名/発表者名
      玉谷千恵,張智翔,榛葉健太,小谷潔,神保泰彦
    • 学会等名
      令和4年電気学会 医用・生体工学研究会
  • [学会発表] 微細加工を用いた軸索特性評価デバイスの開発2021

    • 著者名/発表者名
      玉谷千恵,張智翔,榛葉健太,小谷潔,神保泰彦
    • 学会等名
      日本生体医工学会関東支部若手研究者発表会2021
  • [学会発表] 神経ネットワークの理解に向けた 精密光刺激による機能的結合の直接計測2021

    • 著者名/発表者名
      小林透己,朝比奈昂洋,古川拓磨,張智翔, 榛葉健太,小谷潔,神保泰彦
    • 学会等名
      日本生体医工学会関東支部若手研究者発表会2021

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公開日: 2022-12-28  

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