高度生殖医療技術の標準化を実現する半導体チップ型自動細胞診断システムの開発

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22H03970
• 配分区分: 補助金
• 研究機関: 山形大学
• 研究代表者: 阿部 宏之 山形大学, 大学院理工学研究科, 教授 (10375199)
• 研究分担者: 黒谷 玲子 山形大学, 大学院理工学研究科, 准教授 (00453043)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2026-03-31
• キーワード: 細胞診断 / バイオ関連機器 / 細胞呼吸 / 先端機能デバイス / 生殖医療

研究実績の概要

精度の高い細胞呼吸測定法は、細胞の代謝機能解析や品質評価、ミトコンドリアに関連した疾患の診断に有効な技術となる。本研究では、(1)電気化学計測、(2)半導体チップ、(3)高精度ミトコンドリア機能解析をキーテクノロジーとする医療対応型完全自動細胞品質診断システムの開発を目的とする。
本年度（2022年度）は、自動呼吸測定に対応した半導体チップ型呼吸測定デバイスと、動物由来成分を含まず高感度呼吸測定に影響を与えない医療対応型呼吸測定液を開発するために、以下の実験を行った。
（1）半導体チップ型細胞呼吸測定システムの開発：単一の卵子及び受精卵の酸素消費量を安定的・高感度で測定できるチップ型呼吸測定デバイスを設計・試作した。具体的には、従来の多検体呼吸測定プレートをベースに、複数試料の同時測定を可能とする電極埋込型測定デバイスの雛形を製作した。また、電気化学計測は測定液の影響を受けることから、作用電極を汚染せず、超微弱（pAレベル）電流の検出にも影響しない計測液を開発するために受精卵培養用培地の組成を検討した結果、安定した呼吸計測が可能である候補培地を特定できた。
（2）高精度ミトコンドリア呼吸機能解析技術の開発：単一細胞由来の極微量試料を用いた高精度ミトコンドリア呼吸機能解析技術を開発するために、卵子及び培養細胞におけるミトコンドリア膜電位と活性型ミトコンドリアの分布を非侵襲的に解析した。その結果、高感度のルシフェリン・ルシフェラーゼ反応と高精度ルミノメーターを用いた単一卵子及び胚のATP含量の定量化に成功するとともに、酵素複合体チトクロームc酸化酵素(COX)のmRNAを1細胞単位で定量できる解析システムを構築することができた。

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

当初の目標としていた半導体チップ型細胞呼吸測定システムの基盤となるチップ型呼吸測定デバイスを設計・試作することができた。これにより、半導体製造技術を応用した電極埋込型呼吸測定デバイスの設計が可能となった。また、本研究で開発する半導体チップ型細胞呼吸測定システムの有効性と安全性の検証に不可欠な高精度細胞呼吸機能解析の基盤である単一細胞由来試料ATP含量解析と酵素複合体チトクロームc酸化酵素（COX）の遺伝子発現技術を確立することができたことから、当初の計画通りに研究が進展していると判断する。

今後の研究の推進方策

本研究の達成目標である半導体チップ型細胞呼吸測定システムを開発するために、以下の研究を重点的に進める。
（1）これまでに開発した多検体呼吸測定プレートをベースに、複数試料の同時測定を可能とする電極埋込型測定デバイスを製作し、性能評価を行う。並行して、受精卵培養液をベースとする呼吸測定液を開発し、受精卵や細胞への侵襲性の有無を検証する。
（2）単一の卵子及び受精卵由来の微量試料を用いた多項目ミトコンドリア呼吸解析技術を構築するために、高精度の酵素複合体チトクロームc酸化酵素（COX）の遺伝子発現解析技術に加えて、ミトコンドリアDNA解析技術の開発を行う。

研究成果

• [雑誌論文] Creation, effects on embryo quality, and clinical outcomes of a new embryo cultute medium with 31 optimized components derived from human oviduct fluid: A prospective multicenter randomized trial (2022)
  • 著者名/発表者名: Utsunomiya T., Yao R., Itoh H., Kai Y., Kumasako Y., Setoguchi M., Nakagata N., Abe H., Ishikawa M., Kyono K., Shibahara H., TsuTsumi O., Terada Y., Fujii S., Yanagida K., Yokoyama M., Niimura S., Endo T., Fukuda Y., Inoue M., Kono T., Kuji N., Tawara F., Yoshida H., Yokota Y., Tada Y.
  • 雑誌名: Reproductive Medicine and Biology 巻: 21 ページ: e12459
  • DOI: 10.1002/rmb2.12459
  • 査読あり
• [学会発表] マウス胚における微小管ネットワークと細胞接着装置の形成におけるCAMSAP3の役割 (2022)
  • 著者名/発表者名: 今 汰一、坂原聖士、高倉 啓、黒谷玲子、阿部宏之
  • 学会等名: 第63回日本卵子学会
• [学会発表] 新規培養液で発生したウシ胚における小胞体ストレスの解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐藤広樹、小野佑真、高倉 啓、坂原聖士、黒谷玲子、阿部宏之
  • 学会等名: 日本動物学会・令和4年度東北支部大会
• [学会発表] ヒト卵管液アミノ酸組成を応用した高性能ウシ胚培養液の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 新井琳太郎、近藤綾香、高倉啓、坂原聖士、黒谷玲子、阿部宏之
  • 学会等名: 日本動物学会・令和4年度東北支部大会
• [学会発表] マウス初期胚における微小管ネットワーク形成に関する研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 今 汰一、坂原聖士、高倉 啓、黒谷玲子、阿部宏之
  • 学会等名: 日本動物学会・令和4年度東北支部大会
• [学会発表] マウス胚の微小管ネットワーク形成におけるγ-チューブリンとCAMSPA3の役割 (2022)
  • 著者名/発表者名: 坂原聖士、武田奈々、高倉 啓、黒谷玲子、阿部宏之
  • 学会等名: 日本動物学会第93回早稲田大会
• [学会発表] マウス胚の微小管ネットワーク形成におけるγ-チューブリンとCAMSPA3の役割 (2022)
  • 著者名/発表者名: 今 汰一、坂原聖士、高倉 啓、黒谷玲子、阿部宏之
  • 学会等名: 日本動物学会第93回早稲田大会
• [学会発表] 卵管液アミノ酸組成を基に開発されたウシ胚培養液の評価：小胞体ストレスの解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐藤広樹、高倉啓、坂原聖士、黒谷玲子、阿部宏之
  • 学会等名: 第59回東北生殖医学会総会・学術講演会
• [学会発表] 卵管液アミノ酸組成を基に開発したウシ胚培養液の開発：LDLによるハッチング能の向上 (2022)
  • 著者名/発表者名: 新井琳太郎、坂原聖士、高倉啓、黒谷玲子、阿部宏之
  • 学会等名: 第59回東北生殖医学会総会・学術講演会
• [学会発表] マウス胚の微小管ネットワーク形成におけるγ-チューブリンとCAMSAP3の役割 (2022)
  • 著者名/発表者名: 今 汰一 、坂原聖士、高倉啓、黒谷玲子、阿部宏之
  • 学会等名: 第59回東北生殖医学会総会・学術講演会
• [備考] 山形大学理工学バイオ化学工学科「研究科 阿部研究室」
  • URL: http://abe-labo.yz.yamagata-u.ac.jp/index.html
• [備考] 山形大学研究者情報
  • URL: http://yubl.kj.yamagata-u.ac.jp/html/100000176_ja.html