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2012 年度 実施状況報告書

拍動心筋細胞を用いた後天的情報の獲得保持機構の解明

研究課題

研究課題/領域番号 24650253
研究機関東京医科歯科大学

研究代表者

金子 智行  東京医科歯科大学, 生体材料工学研究所, 准教授 (90345067)

研究期間 (年度) 2012-04-01 – 2014-03-31
キーワード心筋細胞 / 細胞外電位計測 / 拍動周期 / 後天的情報
研究概要

細胞内に蓄えられた後天的情報を定量化することにより、後天的情報の獲得保持機構を解明することを目的として、心筋細胞の拍動周期とイオンチャネルの機能レベルでの発現量を同時計測する系を確立し、摂動を与えたときの緩和過程を観察することにより細胞内に蓄えられた後天的情報の獲得保持機構を明らかにすることを目指している。初年度は心筋細胞に対する電気刺激応答の基礎データを取得した。従来の刺激方法である両極性の矩形波による電気刺激のプロトコールを見直し、短パルスの刺激を連続して負荷することにより、より低電圧での刺激応答性を確立することに成功し、Japanese Journal of Applied Physics紙において発表した。予定していたマウス心筋細胞の他にヒトES細胞由来心筋細胞塊においても電気刺激に対する応答性を測定し、刺激応答時の拍動周期の変化を捉えることに成功した。また、刺激周期を変化させることにより、心筋細胞塊の拍動周期を制御することにも成功し、刺激周期に同期させて拍動させることが可能となった。これにより、心筋細胞塊の拍動周期が自立拍動から強制拍動周期に応答していくときの拍動周期の変遷や電気刺激を終了した後の自立拍動周期に戻っていくときの変遷も観察することに成功した。今後、これらの拍動周期の変遷を解析することにより、拍動周期という心筋細胞の持つ後天的情報の獲得保持機構の解明を進めていく予定である。さらに、その時の細胞外電位波形からイオンチャネルの動態を推測することを試みていく予定である。

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

マウスやラットから単離した心筋細胞を用いて実験を遂行する予定であったが、ヒトES細胞から分化した心筋細胞が市販される段階となっており、より応用研究に近づけるためにヒト心筋細胞による実験を試みた。ヒトES細胞由来心筋細胞は細胞塊の状態で提供されるため、電極からの電界方向(Z軸方向)に細胞が積み重なっている状態である。このため、電極からの刺激電位に応答しやすく、低電圧で長時間刺激することが可能となった。さらに電気刺激のプロトコールを改良することにより、より低電圧で低侵襲的な刺激が可能となった。しかし、当初予定していたマウスやラット心筋細胞を用いたネットワークパターンを変化させた場合の応答反応については、ネットワークパターンによる変化は見られず、電界方向の距離に依存した応答反応が見られたのみであった。そのため、心筋細胞の後天的情報として心筋細胞塊の拍動周期に焦点を当て、その拍動周期の変化を計測することとした。その結果、ヒトES細胞由来心筋細胞塊における電気刺激による拍動の制御が可能となり、初年度にして電気刺激周期と心筋細胞拍動周期の同期化過程や電気刺激終了後の緩和過程を測定することに成功した。この現象を解析することにより、心筋細胞の後天的情報の獲得保持機構の一端が明らかになることが期待される。

今後の研究の推進方策

2013年4月に医科歯科大学から法政大学に異動し、動物実験が不可能となったが、幸いにも医科歯科大学と法政大学は電車で1時間強の距離にあり、医科歯科大で単離したマウス心筋細胞を移送することはそれほど困難であるとは考えていない。また、法政大学ではニワトリ胚からの心筋細胞の単離を計画しており、サンプル細胞のバラエティが増えることが期待される。また、計測装置等は医科歯科大学から貸与されることとなっており、計測についても問題ないと考えている。しかし、計測装置やサンプルの移送等により若干の実験計画の遅れも心配されるが、法政大学の方で配属された学生が25人もおり、医科歯科大学での2人に比べて大幅に増加しており、学生の力を借りて研究を推進させることも可能となっている。また、すでにヒトES細胞由来心筋細胞塊の実験データは取得済みであり、解析に時間を要しているが、この解析結果から新たな知見が発見できるのでは無いかと期待される。今後はこのデータ解析を進めるとともに、ニワトリ胚やマウスから単離した心筋細胞を用いて拍動制御した心筋細胞集団と制御していない心筋細胞集団の拍動同期過程を観察することにより、獲得した後天的情報の大きさを見積もることにチャレンジしていく予定である。また、細胞外電位計測によるイオンチャネルの動態と拍動周期の関係についても計測、解析していく予定である。

次年度の研究費の使用計画

該当なし

  • 研究成果

    (27件)

すべて 2013 2012

すべて 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 5件) 学会発表 (20件) 図書 (1件)

  • [雑誌論文] On-Chip Single-Cell-Shape Control Technology for Understanding Contractile Motion of Cardiomyocytes Measured Using Optical Image Analysis System2013

    • 著者名/発表者名
      T. Kaneko, E. Takizawa, F. Nomura, T. Hamada, A. Hattori, and K. Yasuda
    • 雑誌名

      Jpn. J. Appl. Phys.

      巻: 未定 ページ: 未定

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Exploring the implicit interlayer regulatory mechanism between cells2013

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Hamadaa, Fumimasa Nomura, Tomoyuki Kaneko, Kenji Yasuda, Masahiro Okamoto
    • 雑誌名

      BioSystems

      巻: 111 ページ: 208-215

    • DOI

      10.1016/j.biosystems.2013.02.007

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Improvement of Electrical Stimulation Protocol for Simultaneous Measurement of Extracellular Potential with On-Chip Multi-Electrode Array System2012

    • 著者名/発表者名
      T. Kaneko, F. Nomura, A. Hattori, K. Yasuda
    • 雑誌名

      Jpn. J. Appl. Phys.

      巻: 51 ページ: 06FK02

    • DOI

      10.1143/JJAP.51.06FK02

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Quantitative Evaluation of Closed-Loop-Shaped Cardiomyocyte Network by Using Ring-Shaped Electrode2012

    • 著者名/発表者名
      F. Nomura, T. Kaneko, T. Hamada, A. Hattori, K. Yasuda
    • 雑誌名

      Jpn. J. Appl. Phys.

      巻: 51 ページ: 06FK06

    • DOI

      10.1143/JJAP.51.06FK06

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 幹細胞の創薬応用を目指したオンチップ・テクノロジー2012

    • 著者名/発表者名
      安田賢二、金子智行、野村典正
    • 雑誌名

      ファルマシア

      巻: 48 ページ: 823-825

    • URL

      http://farumashia.pharm.or.jp/mokuji/2012/48-09.html

  • [雑誌論文] Importance of Thickness in Human Cardiomyocyte Network for Effective Electrophysiological Stimulation Using On-Chip Extracellular Microelectrodes2012

    • 著者名/発表者名
      T. Hamada, F. Nomura, T. Kaneko, K. Yasuda
    • 雑誌名

      Jpn. J. Appl. Phys.

      巻: 51 ページ: 06FK03

    • DOI

      10.1143/JJAP.51.06FK03

    • 査読あり
  • [学会発表] Simultaneous dual measurement of mechanical responses and electrophysiological properties of cardiomyocytes using on-chip optical image analysis and field potential recording system2013

    • 著者名/発表者名
      Tomoyuki Kaneko, Fumimasa Nomura, Tomoyo Hamada, Akihiro Hattori, Kenji Yasuda
    • 学会等名
      57th Annual Meeting of Biophysical Society
    • 発表場所
      Philadelphia, USA
    • 年月日
      20130202-20130206
  • [学会発表] On-chip quasi-in vivo cardiac toxicity assay for direct prediction of TdP occurrence using closed-loop-shaped cardiomyocyte network2013

    • 著者名/発表者名
      Fumimasa Nomura, Tomoyuki Kaneko, Tomoyo Hamada, Kenji Yasuda
    • 学会等名
      57th Annual Meeting of Biophysical Society
    • 発表場所
      Philadelphia, USA
    • 年月日
      20130202-20130206
  • [学会発表] Long-term simultaneous dual measurement of electrophysiological properties and mechanical responses of cardiomyocytes using on-chip extracellular field potential recording and real-time optical image analysis2012

    • 著者名/発表者名
      Tomoyuki Kaneko, Fumimasa Nomura, Tomoyo Hamada, Akihiro Hattori, Kenji Yasuda
    • 学会等名
      The American Society for Cell Biology 2012 Annual Meeting
    • 発表場所
      San Francisco, USA
    • 年月日
      20121215-20121219
  • [学会発表] Non-invasive/destructive single cell purification method for re-cultivation of functionally identified specific cells using spot digestion of double alginate sol layers on a multielectrode array chip2012

    • 著者名/発表者名
      Hideyuki Terazono, Hyonchol Kim, Akihiro Hattori, Fumimasa Nomura, Tomoyuki Kaneko, Kenji Yasuda
    • 学会等名
      The American Society for Cell Biology 2012 Annual Meeting
    • 発表場所
      San Francisco, USA
    • 年月日
      20121215-20121219
  • [学会発表] Development of On-Chip Dual Measurement System for Cardiac Contraction Flu Ctuation Assay using Simultaneous Recording of Extracellular Field Potential and Optical Image2012

    • 著者名/発表者名
      Tomoyuki Kaneko, Fumimasa Nomura, Tomoyo Hamada, Akihiro Hattori, Kenji Yasuda
    • 学会等名
      25th International Microprocesses and Nanotechnology Conference(MNC2012)
    • 発表場所
      神戸
    • 年月日
      20121030-20121102
  • [学会発表] Quantitative Evaluation of Quasi-electrocardiogram Measurement for Direct Prediction of Lethal Arrhythmic Beating Occurrence using Ring-shaped Cardiomyocyte Network with Ring Electrode Array2012

    • 著者名/発表者名
      Fumimasa Nomura, Tomoyuki Kaneko, Akihiro Hattori, Kenji Yasuda
    • 学会等名
      25th International Microprocesses and Nanotechnology Conference(MNC2012)
    • 発表場所
      神戸
    • 年月日
      20121030-20121102
  • [学会発表] Tempospatial External Field Potential Fluctuation Measurement in Constructive Cardiomyocyte Network for in Vitro Predictive Cardiotoxicity2012

    • 著者名/発表者名
      Tomoyo Hamada, Fumimasa Nomura, Tomoyuki Kaneko, Kenji Yasuda
    • 学会等名
      25th International Microprocesses and Nanotechnology Conference(MNC2012)
    • 発表場所
      神戸
    • 年月日
      20121030-20121102
  • [学会発表] Surface Roughness of Cells as Index of Label-free Cell Identification and Separation in On-chip Imaging Cell Sorting System2012

    • 著者名/発表者名
      Akihiro Hattori,Tomoyuki Kaneko, Fumimasa Nomura, Kenji Yasuda
    • 学会等名
      25th International Microprocesses and Nanotechnology Conference(MNC2012)
    • 発表場所
      神戸
    • 年月日
      20121030-20121102
  • [学会発表] Toward quasi-in vivo from in vitro assay (I). On-chip cardiomyocyte network screening assay for predictive cardiotoxicity2012

    • 著者名/発表者名
      Kenji Yasuda, Fumimasa Nomura, Tomoyo Hamada, Tomoyuki Kaneko, Hideo Takamori, Yasuyuki Abe, Tomoko Sakakura, Kiyoshi Takasuna, Atsushi Sanbuissho
    • 学会等名
      Safety Pharmacology Society 12th Annual Meeting
    • 発表場所
      Phoenix, USA
    • 年月日
      20121001-20121004
  • [学会発表] Toward Quasi-in vivo from in vitro assay (II). Development of on-chip predictive cardiotoxicity assay for cardiac contraction fluctuation measurement using dual recording of electrical field potential and optical image analysis2012

    • 著者名/発表者名
      Tomoyuki Kaneko, Fumimasa Nomura, Tomoyo Hamada, Akihiro Hattori, Kenji Yasuda
    • 学会等名
      Safety Pharmacology Society 12th Annual Meeting
    • 発表場所
      Phoenix, USA
    • 年月日
      20121001-20121004
  • [学会発表] Toward Quasi-In Vivo from In Vitro assay (III). Evaluation of Temporal Field Potential Duration Fluctuation and Spatial Conduction Velocity Fluctuation of Cardiomyocyte Network for In Vitro Predictive Cardiotoxicity Measurement2012

    • 著者名/発表者名
      Tomoyo Hamada, Fumimasa Nomura, Tomoyuki Kaneko, Hideo Takamori, Yasuyuki Abe, Tomoko Sakakura, Kiyoshi Takasuna, Atsushi Sanbuissho, Kenji Yasuda
    • 学会等名
      Safety Pharmacology Society 12th Annual Meeting
    • 発表場所
      Phoenix, USA
    • 年月日
      20121001-20121004
  • [学会発表] Toward quasi-in vivo from in vitro assay (IV). Quasi-electrocardiogram measurement for direct prediction of TdP occurrence using ring-shaped cardiomyocyte network with ring electrode array2012

    • 著者名/発表者名
      Fumimasa Nomura, Tomoyuki Kaneko, Tomoyo Hamada, Kenji Yasuda
    • 学会等名
      Safety Pharmacology Society 12th Annual Meeting
    • 発表場所
      Phoenix, USA
    • 年月日
      20121001-20121004
  • [学会発表] Toward quasi-in vivo from in vitro assay (V). Non-invasive precise purification of ventricular cells from mixture of differentiated human stem cell derived cardiomyocytes using spot digestion of double alginate layers on a multi-electrode array chip2012

    • 著者名/発表者名
      Hideyuki Terazono, Hyonchol Kim, Fumimasa Nomura, Tomoyuki Kaneko, Tomoyo Hamada, Kenji Yasuda
    • 学会等名
      Safety Pharmacology Society 12th Annual Meeting
    • 発表場所
      Phoenix, USA
    • 年月日
      20121001-20121004
  • [学会発表] Evaluation of ion channel trafficking of human stem cell derived cardiomyocytes for cardiotoxicity screening2012

    • 著者名/発表者名
      Yasuyuki Abe, Tomoko Sakakura, Kiyoshi Takasuna, Atsushi Sanbuissho, Fumimasa Nomura, Tomoyo Hamada, Tomoyuki Kaneko, Kenji Yasuda
    • 学会等名
      Safety Pharmacology Society 12th Annual Meeting
    • 発表場所
      Phoenix, USA
    • 年月日
      20121001-20121004
  • [学会発表] Development of Dual Recording Assay for Cardiac Function Measurement using Electrical Field Potential and Optical Image Analysis2012

    • 著者名/発表者名
      Toru Shoji, Tomoyuki Kaneko, Fumimasa Nomura, Akihiro Hattori, Kenji Yasuda
    • 学会等名
      第50回日本生物物理学会年会
    • 発表場所
      名古屋
    • 年月日
      20120922-20120924
  • [学会発表] Quantitative evaluation of cell separation method based on shape recognition using on-chip imaging cell sorter2012

    • 著者名/発表者名
      Akihiro Hattori, Tomoyuki Kaneko, Fumimasa Nomura, Kenji Yasuda
    • 学会等名
      第50回日本生物物理学会年会
    • 発表場所
      名古屋
    • 年月日
      20120922-20120924
  • [学会発表] A Non-destructive Culturing and Cell Sorting Method for Cardiomyocytes and Neurons Using an Alginate Layer2012

    • 著者名/発表者名
      Hideyuki Terazono, Hyonchol Kim, Akihiro Hattori, Fumimasa Nomura, Tomoyuki Kaneko, Kenji Yasuda
    • 学会等名
      第50回日本生物物理学会年会
    • 発表場所
      名古屋
    • 年月日
      20120922-20120924
  • [学会発表] Optimization of effective electrical stimulation protocol for cariomyocyte beating interval control in extracellular potential measurement assay in predictive cardiotoxicity testing2012

    • 著者名/発表者名
      Tomoyuki Kaneko, Fumimasa Nomura, Kenji Yasuda
    • 学会等名
      第50回日本生物物理学会年会
    • 発表場所
      名古屋
    • 年月日
      20120922-20120924
  • [学会発表] On-chip quasi-in vivo cardiac toxicity assay using ring-shaped closed circuit microelectrode with lined-up cardiomyocyte network2012

    • 著者名/発表者名
      Fumimasa Nomura, Tomoyuki Kaneko, Tomoyo Hamada, Kenji Yasuda
    • 学会等名
      第50回日本生物物理学会年会
    • 発表場所
      名古屋
    • 年月日
      20120922-20120924
  • [学会発表] Evaluation of temporal fluctuation and spatial fluctuation on cardiomyocyte network for in vitro predictive cardiotoxicity measurement2012

    • 著者名/発表者名
      Tomoyo Hamada, Fumimasa Nomura, Tomoyuki Kaneko, Kenji Yasuda
    • 学会等名
      第50回日本生物物理学会年会
    • 発表場所
      名古屋
    • 年月日
      20120922-20120924
  • [図書] 再生医療製品の許認可と組織工学の新しい試み2012

    • 著者名/発表者名
      安田賢二、金子智行、野村典正、服部明弘
    • 総ページ数
      209
    • 出版者
      シーエムシー出版

URL: 

公開日: 2014-07-24  

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