電気インピーダンス誘電回転トモグラフィによる細胞イメージング技術の開発

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21K14072
• 研究機関: 千葉大学
• 研究代表者: 川嶋 大介 千葉大学, 大学院工学研究院, 特任助教 (10813785)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 電気トモグラフィ / 誘電回転 / 細胞イメージング / 逆問題解析

研究実績の概要

本研究課題は、電気インピーダンス・誘電回転トモグラフィ(EIeRT)の開発を目的としており、「EIeRTセンサの開発」と「EIeRTセンサを利用した細胞回転制御と単一細胞イメージングの検討」を実施した。具体的な内容は以下の通りである。
①石英基板に金を真空蒸着させ、同心円状等間隔に配置された８電極アレイを作製した。センサ空間は直径約50マイクロメートルであり、細胞種にもよるが、およそ単一細胞と同オーダーのサイズのセンサを開発した。この開発したセンサは、電気インピーダンス計測と回転電場による細胞の誘電回転制御を可能とすることから、EIeRTセンサとした。
②このEIeRTセンサ内の電極アレイのうち、直行する4電極に位相が90度ずつ異なる電場の印加による誘電回転において、電界および力場について数値解析を行った。電界解析では、準定常電界のもと回転電場によって生じる電場分布の時間遷移を計算し、細胞周囲に生じる電場分布を解析した。また、力場については、誘電回転力および細胞回転によって生じる流体抵抗を考慮し、細胞回転制御にかかるパラメータについて検討した。
③EIeRTセンサを利用した単一細胞イメージングを実施した。8電極間の電流印加・電圧計測のペアをマルチプレクサにより高速でスイッチングし、50マイクロメートル空間に存在する細胞の電気トモグラフィックイメージングを試みた。高周波数(1MHz)以上では細胞膜を電流が透過するため、周波数５MHzでのトモグラフィックイメージングを試み、光学顕微鏡像と比較し、細胞核と思われる導電率分布を捉えることに成功した。

研究成果

• [雑誌論文] Detection of Heterogeneous Cells in Cell Spheroids by Applying High-Frequency Second-Order Sensitivity Matrix Electrical Impedance Tomography (HSSM-EIT) (2022)
  • 著者名/発表者名: Li Songshi、Kawashima Daisuke、Gao Zengfeng、Takei Masahiro
  • 雑誌名: IEEE Open Journal of Instrumentation and Measurement 巻: 1 ページ: 1～9
  • DOI: 10.1109/OJIM.2022.3212753
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multiple Regression Fitting Electrical Impedance Spectro-Tomography for Quantitative Image Reconstruction of Dead Cell Fraction and Cell Concentration (2022)
  • 著者名/発表者名: Kawashima Daisuke、Obara Hiromichi、Takei Masahiro
  • 雑誌名: IEEE Open Journal of Instrumentation and Measurement 巻: 1 ページ: 1～8
  • DOI: 10.1109/OJIM.2022.3198476
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Non-invasive imaging of ion concentration distribution around cell spheroids by electrical impedance tomographic sensor printed on circuit board under temporal compensation by ion transport impedance model (2022)
  • 著者名/発表者名: Kawashima Daisuke、Yuki Tsubasa、Li Songshi、Takei Masahiro
  • 雑誌名: Biosensors and Bioelectronics 巻: 212 ページ: 114432～114432
  • DOI: 10.1016/j.bios.2022.114432
  • 査読あり
• [雑誌論文] Study of transmembrane ion transport under tonicity imbalance using a combination of low frequency-electrical impedance spectroscopy (LF-EIS) and improved ion transport model (2022)
  • 著者名/発表者名: Li Songshi、Kawashima Daisuke、Sugawara Michiko、Obara Hiromichi、Okeyo Kennedy Omondi、Takei Masahiro
  • 雑誌名: Biomedical Physics & Engineering Express 巻: 8 ページ: 035024～035024
  • DOI: 10.1088/2057-1976/ac5fc5
  • 査読あり
• [学会発表] Evaluation of transmembrane ion transport via ion channel by low-frequency electrical impedance tomography (2022)
  • 著者名/発表者名: Daisuke Kawashima, Songshi Li, Masahiro Takei
  • 学会等名: 9th World Congress of Biomechanics 2022
  • 国際学会
• [学会発表] マイクロ電気インピーダンストモグラフィーを利用した単一細胞の可視化 (2022)
  • 著者名/発表者名: 李 淞什, 川嶋 大介, 青木 伸之, 武居 昌宏
  • 学会等名: 日本機械学会 第33回バイオフロンティア講演会
• [学会発表] 二次感度行列を利用した電気インピーダンストモグラフィーによる異種細胞混合スフェロイドの検出 (2022)
  • 著者名/発表者名: 李 淞什, 川嶋 大介, 武居 昌宏
  • 学会等名: 日本機械学会第34回バイオエンジニアリング講演会
• [備考] 千葉大学武居研究室
  • URL: https://tomocloud.xsrv.jp/takei-lab/