電気化学とOrgan-on-a-chipの融合によるがん腫瘍モデル評価基盤の構築

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20J21401
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 平本 薫 東北大学, 環境科学研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2020-04-24 – 2023-03-31
• キーワード: スフェロイド / 呼吸活性 / 電気化学測定 / 電気化学発光

研究実績の概要

三次元培養した細胞塊（スフェロイド）は生体に近い機能を持つため、モデル組織として移植医療や創薬への応用研究が推進されている。電気化学を利用した細胞組織評価基盤の確立のために、2つのアプローチをとった。①高度な生体組織モデルの作製および電気化学計測による機能評価と、②高解像度かつハイスループット測定を可能とする電気化学デバイスの開発である。
①生体外で大きな細胞構造体を構築しようとすると、内部まで酸素や栄養素が供給されず細胞死が生じるという問題がある。細胞スフェロイドに血管構造を組みこむことで物質輸送が改善され、より生体組織の再現性が高まると考えられる。そこで血管内皮細胞と繊維芽細胞の共培養により血管様の細胞ネットワークを有するスフェロイドを作製し、走査型電気化学顕微鏡（SECM）および多点電極アレイデバイスを用いて、電気化学的な呼吸測定によりその機能評価を行った。作製したスフェロイドに、代表的な抗がん剤であるドキソルビシンを添加すると、血管内皮細胞の割合が大きいスフェロイドほど呼吸量が顕著に減少していることがわかった。血管構造によって薬剤浸透性が高まったことが示唆される。
②代表的な電気化学測定ツールであるSECMは1本のプローブを走査するという特性上、高空間分解能であるがスループット性が低い。そこでスループットを向上させるアプローチとして、電気化学発光（Electrochemiluminescence: ECL）を利用した呼吸活性イメージングデバイスを作製した。1枚の平板電極上で酸素の還元と発光物質の酸化を交互に行うことで微小領域の酸素濃度を発光反応に変換するシステムを構築し、ミニ軟骨組織およびがん腫瘍モデルの複数同時の呼吸イメージングに成功した。ECLイメージングによってSECMと同程度の空間分解能を有しながら、スループット性を大幅に向上させることが可能となった。

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

電気化学的な呼吸測定により、血管構造を有し高機能化した細胞スフェロイドの代謝評価を行い、血管構造の有無と薬剤代謝の関係を調査した。血管構造によってスフェロイドの薬剤感受性が高まったことが示唆され、電気化学計測が高感度な測定ツールであることを示すことができた[1]。また、スフェロイドの呼吸活性をハイスループットにイメージングする電気化学発光測定システムを構築し[2]、これらの成果を論文として公表することができた。
[1]K. Hiramoto et al., Electrochimica Acta, 340, (2020), 135979.
[2]K. Hiramoto et al., Biosensors and Bioelectronics, 181, (2021), 113123.

今後の研究の推進方策

生体組織モデルのストレス応答や免疫応答に起因する活性酸素種（ROS）、活性窒素種（RNS）、および血管機能の評価に重要な一酸化窒素（NO）検出を可能とする電気化学デバイスの開発を進める。
ROSの測定においては、過酸化水素存在下で電位印加により発光するルミノール誘導体を用いて、電気化学発光による測定システムを構築する。NOの検出においては還元型グラフェンオキサイド(rGO）を基材とした触媒を利用し、NO検出の感度・特異性を向上させたデバイスを検討中である。これらの検出系において、がん細胞や血管内皮細胞の共培養系の腫瘍モデルの評価を行っていく。

研究成果

• [雑誌論文] Electrochemiluminescence imaging of respiratory activity of cellular spheroids using sequential potential steps (2021)
  • 著者名/発表者名: Hiramoto Kaoru、Ino Kosuke、Komatsu Keika、Nashimoto Yuji、Shiku Hitoshi
  • 雑誌名: Biosensors and Bioelectronics 巻: 181 ページ: 113123～113123
  • DOI: 10.1016/j.bios.2021.113123
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electrodeposition of Thiolated Polymer-based Hydrogels via Disulfide Formation Using Electrogenerated Benzoquinone (2021)
  • 著者名/発表者名: Ino Kosuke、Tamura Ayako、Hiramoto Kaoru、Fukuda Mika T.、Nashimoto Yuji、Shiku Hitoshi
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 50 ページ: 256～259
  • DOI: 10.1246/cl.200732
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Droplet Array Device for Electrochemical Detection of Methylene Blue Based on Local Redox Cycling (2021)
  • 著者名/発表者名: HIRAMOTO Kaoru、KOMATSU Keika、YAMADA Yuta、NASHIMOTO Yuji、MATSUE Tomokazu、INO Kosuke、SHIKU Hitoshi
  • 雑誌名: BUNSEKI KAGAKU 巻: 70 ページ: 183～189
  • DOI: 10.2116/bunsekikagaku.70.183
  • 査読あり
• [雑誌論文] Oxygen consumption rate of tumour spheroids during necrotic-like core formation (2020)
  • 著者名/発表者名: Mukomoto Rei、Nashimoto Yuji、Terai Takato、Imaizumi Takuto、Hiramoto Kaoru、Ino Kosuke、Yokokawa Ryuji、Miura Takashi、Shiku Hitoshi
  • 雑誌名: The Analyst 巻: 145 ページ: 6342～6348
  • DOI: 10.1039/d0an00979b
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fabrication of three-dimensional calcium alginate hydrogels using sacrificial templates of sugar (2020)
  • 著者名/発表者名: Ino Kosuke、Fukuda Mika T.、Hiramoto Kaoru、Taira Noriko、Nashimoto Yuji、Shiku Hitoshi
  • 雑誌名: Journal of Bioscience and Bioengineering 巻: 130 ページ: 539～544
  • DOI: 10.1016/j.jbiosc.2020.06.014
  • 査読あり
• [雑誌論文] Recent Advances in Electrochemiluminescence-Based Systems for Mammalian Cell Analysis (2020)
  • 著者名/発表者名: Hiramoto Kaoru、Villani Elena、Iwama Tomoki、Komatsu Keika、Inagi Shinsuke、Inoue Kumi、Nashimoto Yuji、Ino Kosuke、Shiku Hitoshi
  • 雑誌名: Micromachines 巻: 11 ページ: 530～530
  • DOI: 10.3390/mi11050530
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Electrochemical measurement of respiratory activity for evaluation of fibroblast spheroids containing endothelial cell networks (2020)
  • 著者名/発表者名: Hiramoto Kaoru、Pai Hao-Jen、Ino Kosuke、Nashimoto Yuji、Shiku Hitoshi
  • 雑誌名: Electrochimica Acta 巻: 340 ページ: 135979～135979
  • DOI: 10.1016/j.electacta.2020.135979
  • 査読あり
• [学会発表] Potential Step Electrochemiluminescence Imaging of Cellular Activity of Living Spheroids (2021)
  • 著者名/発表者名: Kaoru Hiramoto, Kosuke Ino, Keika Komatsu, Yuji Nashimoto, Hitoshi Shiku
  • 学会等名: Pittcon 2021
  • 国際学会
• [学会発表] ハイスループットアッセイに向けたスフェロイド呼吸活性の電気化学発光イメージング (2021)
  • 著者名/発表者名: 平本薫、伊野浩介、小松慶佳、梨本裕司、珠玖仁
  • 学会等名: iACEシンポジウム
• [学会発表] 電気化学的呼吸測定法による血管様構造を有するスフェロイドの薬効評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 平本 薫、白皓仁、伊野浩介、梨本裕司、珠玖仁
  • 学会等名: 第80回分析化学討論会
• [学会発表] Effect of endothelial cell networks on respiratory activity of spheroids (2020)
  • 著者名/発表者名: Kaoru Hiramoto, Hao-Jen Pai, Kosuke Ino, Yuji Nashimoto, Hitoshi Shiku
  • 学会等名: 71st Annual ISE Meeting Belgrade Online
  • 国際学会
• [学会発表] Electrochemiluminescence Imaging of Cell Spheroid and its Ex Vivo Microenvironment (2020)
  • 著者名/発表者名: 平本薫、伊野浩介、小松慶佳、梨本裕司、珠玖仁
  • 学会等名: 第30回 日本MRS年次大会
• [学会発表] 電気化学発光を用いた細胞スフェロイドの代謝活性検出 (2020)
  • 著者名/発表者名: 平本薫、伊野浩介、小松慶佳、梨本裕司、珠玖仁
  • 学会等名: 生体コモンスペース研究会
• [備考] 東北大、電極反応により酸素濃度を光に変換する技術で細胞組織の酸素呼吸イメージングに成功
  • URL: https://www.nikkei.com/article/DGXLRSP606637_V10C21A3000000/
• [備考] 細胞の呼吸を発光として捉える新規イメージング 電極表面の酸素濃度分布を光に変換
  • URL: https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2021/03/press20210315-02-imaging.html
• [備考] (2)のグローバルウェブサイト
  • URL: https://www.tohoku.ac.jp/en/press/novel_imaging_respiratory_activity_3d_tissue.html