Basic research on living displays that show biological information through genetic modification of the skin

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 22H00284
• Research Institution: Tokyo City University
• Principal Investigator: 藤田 博之 東京都市大学, 付置研究所, 教授 (90134642)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 辻 孝 国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, チームリーダー (50339131) ; 竹内 昌治 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (90343110)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: 生体センサ / ウェアラブルセンシング / 遺伝子改変 / 表皮幹細胞

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、各人が体内の情報を継続的に把握し、体調不良の予兆を早期に捉えて対応可能にするため、健康管理に必要な体内情報のセンシングと表示を、遺伝子改変した細胞で行うリビングディスプレイの基礎技術の確立である。センシング結果を生体表面から読み出せる皮膚に着目し、遺伝子改変した表皮の幹細胞を移植することで、永続的なモニタリング部位を形成する。モニタリング部位の細胞は、生体情報の変化に応じて蛍光分子などを生じ、それをウエアラブルデバイスで光学的に検知する。今年度の成果は下記の通り。
１．皮膚ディスプレイのバイオ技術
上記構想の概念実証を目指して、初期炎症反応であるNF-kBシグナル経路に介入し、蛍光タンパク質を発現するよう表皮幹細胞の遺伝子を改変する方法を確立した。この細胞から構築した三次元人工皮膚による皮膚ディスプレイのモデルを用い、遺伝子改変した表皮幹細胞が天然表皮幹細胞と同様に適切に分裂、分化し、正常な皮膚構造を形成すること、およびバイオマーカーに反応して生ずる光学的信号が検出可能なことを確認した。さらに、遺伝子改変表皮幹細胞から作成した三次元人工皮膚を免疫不全マウスに移植し、皮膚幹細胞リビングディスプレイが生体内において機能することを確認した。さらに酸化ストレスや低酸素ストレスなど、初期炎症反応以外の生体反応に対する検出系の多様化についても検討した。
２．皮膚ディスプレイ読出し技術
皮膚ディスプレイの信号を計測する無線センサノードを試作した。センサノードは、LED励起光源と検出用フォトダイオードからなる蛍光測定部と、測定データの無線転送部から構成され、皮膚へ貼り付けできるため薄型のフレキシブル基板上に実装した。マウスに移植した皮膚ディスプレイからの光信号を、麻酔下で読み出せることを確認した。また画像から信号を得る方法を検討した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

皮膚ディスプレイのバイオ技術に関して、計画に沿って順調に進捗している。皮膚ディスプレイ読出し技術については、当初計画したウエアラブルデバイスの製作がコロナ禍の電子部品不足で高輝度なLEDの納期が遅れていたが、蛍光測定部としてLEDと高感度かつ暗電流の少ないフォトダイオードを搭載し、Bluetoothで蛍光強度のデータをPCに転送する無線センサノードのプロトタイプを作製した。このプロトタイプは、プレートリーダーで測定したEGFPが発現した人工皮膚の蛍光強度に対して、1／10000の蛍光強度でも測定可能な高感度なデバイスとなっており、微小な蛍光強度の変化も測定可能であり、無線センサノード開発において計画に沿って順調に進捗している。また、三次元人工皮膚の移植後の経時変化や計測部位との接触による炎症を考慮し、平行光を遠隔から照射する励起光源と短波長カットの蛍光フィルタを搭載したカメラによる、非接触型の蛍光画像観察システムについても、追加検討している。なお、特許の出願を準備中のため、学会発表やウェッブサイトへの情報公開は出願後に行うこととしている。

Strategy for Future Research Activity

１．皮膚ディスプレイのバイオ技術
初期炎症反応であるNF-kBシグナル経路導入方法の令和4年度の確立を受け、5年度は当初の予定に従い、酸化ストレスマーカーであるNrf2経路に関して、4年度と同様の手法でヒト皮膚ケラチノサイトの遺伝子改変を行い、センサ細胞を作成する。亜ヒ酸ナトリウムや紫外線等の刺激を与え、作成したセンサ細胞が酸化ストレスに適切に反応するか確認する。また4年度同様、生体反応を再現する三次元人工皮膚の作製、免疫不全マウスへの移植により組織健全性と刺激応答性を確認する。さらに、初期炎症反応以外の生体反応に対するマルチセンシングの実証のため、4年度作成のNF-kBセンサ細胞とNrf2センサ細胞を混合して人工皮膚を作成し、刺激特異的反応性の解析に発展させる予定である。免疫不全マウスに2種類のセンサ細胞を移植し、刺激に応じた光信号の産生を測定し、生体においてマルチセンシングが可能か検討する。
２．皮膚ディスプレイ読出し技術
令和5年度は、バイオマーカー濃度に応じて変化する皮膚ディスプレイの蛍光強度信号を計測するため、引き続き無線センサノードの開発を進める。測定部位との接触による炎症を抑制するため、薄型のフレキシブル基板上にLEDとフォトダイオードを実装した無線センサノードを作製する。追加検討している非接触型の蛍光画像観察システムについても開発を進める。
また、マウスに三次元人工皮膚を移植し、光信号を読み出せるか調べるため、常時EGFPを発現する細胞を用いて構築した三次元人工皮膚で検証を進める。さらに、NF-kBシグナル経路に遺伝子導入した三次元人工皮膚が生着したマウスを用い、炎症性のバイオマーカーに対する蛍光強度の経時変化を測定する。以上のデバイス開発と、三次元人工皮膚が生着したマウスを用いた蛍光強度の経時観察を通して、人工皮膚リビングディスプレイとしての特性を検証する。

Remarks

得られた研究成果に基づき特許申請を準備中であり、８月末までの申請完了を目指している