研究成果
低酸素状態は様々な生体組織内においてみられ、細胞の移動や増殖、分化などに対して重要な役割を担っている。しかし、それら細胞のふるまいに対する低酸素の影響ついては不明な点が多く、がんの根絶や再生医療の進展が困難な原因の一つとなっている。本研究では、これまで不可能であった培養中の細胞周囲の酸素分圧を制御しながら、細胞の3次元リアルタイムの観察を可能にするマイクロフルイディクスデバイスを世界で初めて開発した（図1）。数値解析による実験条件の最適化（図2）や、酸素濃度に応じて蛍光強度が変化するルテニウム化合物を用いた酸素濃度の検証実験（図3）により、デバイス内において一定の低酸素状態や酸素勾配の生成を可能にした。また、実際にデバイス内に蛍光たんぱく質を導入した乳がん細胞（MDA-MB-231）を混合したコラーゲンゲルを配置し、通常の大気中の酸素濃度（21%）の状態と酸素濃度約3%の低酸素状態におけるふるまいを蛍光顕微鏡により観察し、酸素濃度の低下によりがん細胞の移動能が増すことを明らかにした（図4）。開発したデバイスはがん細胞の実験以外にも、低酸素負荷による血管新生、細胞の損傷、複数の細胞間の相互作用の観察など、今後の様々な研究に応用可能である。
 図1 マイクロフルイディクスデバイスの概観 |
 図2 デバイス内の酸素濃度の計算結果：(a)一定濃度の低酸素状態（0%-0%），(b)酸素勾配（0%-21%） |
 図3 デバイス内の酸素濃度の検証実験結果 |
 図4 がん細胞の(a)蛍光顕微鏡画像と(b)低酸素負荷による移動能の変化 |
学術論文
- Kenichi Funamoto, Ioannis K. Zervantonakis, Yuchun Liu, Christopher J. Ochs, Choong Kim, and Roger D. Kamm, A Novel Microfluidic Platform for High-Resolution Imaging of a Three-Dimensional Cell Culture under a Controlled Hypoxic Environment, Lab on a Chip, Vol. 12, No. 22, (2012), 4855-4863.
学会発表
- Christopher J. Ochs, Kenichi Funamoto, Roger D. Kamm, and Dieter Trau, Oxygen sensors for microfluidic 3D cell cultures, EUROPT(R)ODE XI Conference on Optical Chemical Sensors and Biosensors, (2012), 98.
- Kenichi Funamoto, Ioannis K. Zervantonakis, Yuchun Liu, and Roger D. Kamm, Oxygen Tension Control in a Microfluidic Device for Cell Culture, Proceedings of the 9th International Conference on Flow Dynamics (ICFD2012), (2012), 724-725. (Invited lecture)
- Kenichi Funamoto, Ioannis K. Zervantonakis, Yuchun Liu, Christopher J. Ochs, and Roger D. Kamm, Computational Simulation to Create Low Oxygen Tension in a Microfluidic Device for Cell Culture, Proceedings of the 12th International Symposium on Advanced Fluid Information and Transdisciplinary Fluid Integration (AFI/TFI-2012), (2012), 88-89.
- Shuichiro Fukushima, Reiko Maehara, and Kenichi Funamoto, Observation of Hypoxia Cellular Response by Using Microfluidic Devices, Proceedings of the 12th International Symposium on Advanced Fluid Information and Transdisciplinary Fluid Integration (AFI/TFI-2012), (2012), 122-123.
- Kenichi Funamoto, Moving on to the Small World: Microfluidic Cell Culture, The 12th International Symposium on Advanced Fluid Information and Transdisciplinary Fluid Integration (AFI/TFI-2012), (2012).
- 船本 健一, Ioannis K. Zervantonakis, Yuchun Liu, Roger D. Kamm, 低酸素下細胞実験のためのマイクロ流体デバイスの開発, 日本機械学会第４回マイクロ・ナノ工学シンポジウム講演論文集, No. 12-55, (2012), 77-78.
- 船本 健一, Ioannis K. Zervantonakis, Roger D. Kamm, 酸素濃度制御下の細胞実験のためのマイクロ流体デバイスの設計, COMSOL Conference Tokyo 2012, (2012).
