Public Release: 

細胞内電位計測のための‘ナノタワー’電極デバイス

細胞内電位計測のための高アスペクト比・ナノスケール先鋭化マイクロニードル電極

Toyohashi University of Technology

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IMAGE: 細胞膜を突き破る高さ100 µm以上の‘ナノタワー’電極。シリコン結晶成長技術と三次元的なマイクロ/ナノプロセス技術により、非常にアスペクト比の高い細胞内電極を実現した。 view more

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脳に対する私たちの理解は未だもって不十分であり、今後の脳計測のさらなる進展が必要である。その中でも電気生理学的手法は脳組織の神経回路網を理解するための有力な方法である。細胞外電位計測と比較すると、細胞内電位計測は信号の電圧値の大きさや信号の質(シナプス後電位等)などの点において優れた方法である。既存のガラス管電極の空間分解能や感度を上回る技術として、ナノテクノロジーを駆使したナノワイヤやナノチューブによる細胞内電位計測用のデバイスが近年開発されてきている。  

しかしながら、これらのナノ電極デバイスは製作手法の制約からその電極長が10 µm以下に留まっている。そのため、これら従来のナノデバイスでは、脳スライスや生体内(in vivo)脳組織などの厚さのある生体組織の深部に位置する細胞への応用が困難であった。

 豊橋技術科学大学の電気・電子情報工学専攻の学生・研究者たちとエレクトロニクス先端融合研究所の研究者たちは長さ100 µmを超える三次元的ナノスケール先鋭化マイクロニードル電極(Nanoscale-tipped electrode, NTE)デバイスを開発した。開発した電極ニードルの長さは、従来の細胞内電位計測用ナノ電極の長さを大きく上回り、ナノデバイスによる細胞内電位応用の応用範囲を大きく広げる。彼らはまた、開発したNTEによる筋細胞への電極の刺入及び信号計測を実証した。

 「従来のナノ電極を用いた電気生理学的手法における技術的な課題は、組織深部の細胞に対する細胞内電位計測である。例えば脳スライスの場合、損傷の少ない細胞は、切片表面から深さ約40 µm以上に位置する。しかし、40 µm長の高アスペクト比のナノ電極では、そのナノ構造の不十分な剛性のために刺入が困難であった。一方で、私たちが開発した120 µm長のNTEは、その円錐に近い電極形状により、細胞や組織を貫くのに十分な剛性を実現できる」と筆頭著者である博士後期課程の久保田吉博は説明する。  

本研究のチームリーダーである河野剛士准教授は「今回は、提案するNTEデバイスの基礎的な特性結果を示したに過ぎないが、長さ100 µm以上のナノ電極を一括製作が可能な今回の技術は、細胞内用のデバイス技術をさらに発展させるもので、また本提案デバイスにより最終的にはこれまでの細胞内計測では困難とされてきた脳スライスやin vivo(生体内)脳組織を含む組織深部での多点、同時における細胞内電位計測の実現が可能性である」と考えている。

今回開発されたNTE電極は、脳スライスや生体内(in vivo)脳組織などの組織深部における細胞内電位計測の可能性を拡大させるもので、脳計測技術さらには私たちの脳の理解を加速させるツールとして今後期待される。

本研究は、文部科学省・日本学術振興会科学研究費基盤研究S(20226010)、基盤研究A(25249047)、若手研究A(26709024)、若手研究B(22760251)、及び科学技術振興機構さきがけ(PRESTO)の助成によって実施されたものである。また、筆頭著者の久保田は文部科学省・日本学術振興会の実施する博士課程教育リーディングプログラム(R03)の支援を受けた。また共著者沼野は文部科学省・日本学術振興会科学研究費基盤研究C(24590350)、公益財団法人武田科学振興財団、公益財団法人旭硝子財団の支援を受けた。

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【論文情報】

Yoshihiro Kubota, Hideo Oi, Hirohito Sawahata, Akihiro Goryu, Yoriko Ando, Rika Numano, Makoto Ishida, and Takeshi Kawano (2016). Nanoscale-tipped high-aspect-ratio vertical microneedle electrodes for intracellular recordings, Small, Article first published online:
8 April 2016 | DOI: 10.1002/smll.201600172

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