オンチップ微小液滴電気穿孔を可視化するマイクロ反応場の数値解析と実験による検証

微反应场的数值分析和实验验证，以可视化片上微滴电穿孔

• 批准号: 22K03936
• 负责人: 中島 賢治
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Sasebo National College of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K03936/
• 关键词: 電気穿孔; 数値解析; 膜電子透過化; 遺伝子導入; 電気泳動; 液滴形成; マイクロ流体デバイス

2021年度までのオンチップ微小液滴電気穿孔法では、直流電源を用いていたため、電極で電気分解が起こっていた。それが原因で、マイクロ流路内で気泡が発生したり、電極が溶出したり、帯電性細胞物質が電極に付着したりするなど、電気穿孔に不都合な現象が起こる問題があった。そのため、2022年度からは直流電源に替えて交流電源を用いるようにし、かつ微小液滴を生成しないフロースルー型電気穿孔法へ移行している。これにより、電気穿孔後の細胞回収も効率的に行えるようになった。上記の方針変更によって、当研究課題が受ける影響は軽微である。引き続き、電圧印加時の細胞膜電位分布を計算し、膜電位により膜電子透過化が起こる現象の計算を試みる。当方らの数値解析は、膜穿孔状態の経時変化が考慮に入っていないために膜電位計算がうまくいっていない。そのため、非定常の膜穿孔現象によって膜の導電性が変化する様子を計算条件に反映しなければならない。理化学研究所のMahmoudら（Analytical Chemistry, 2020）は、この問題を解決していると考えられるが、彼らの発表論文には、その数値解析手法について詳しく書かれていなかった。今後も計算手法の調査を継続する。2022年度から研究されているフロースルー型電気穿孔については、以前のオンチップ微小液滴電気穿孔でも課題であった、一つの液滴に複数の細胞が入ってしまう現象が、さらに大きな課題となっている。約40μmの電極間に複数の細胞が塊で入ってしまうと、計画通りの電圧印加が行われないため、電気穿孔の未達成が起こると考えている。本研究室では、細胞をマイクロビーズで模擬し、細胞塊を分断する流路構造を実験と数値解析により調査する計画である。そのため、2022年度はマイクロデバイス流動実験観察装置を構成した。PDMS流路の外注には約50万円かかるため、代替策を考えている。

直到2021年，片上微滴电穿孔方法使用直流电源，导致电极处发生电解。这会引起微通道中产生气泡、电极洗脱、带电细胞物质粘附到电极等问题，这些对电穿孔是不利的。因此，从 2022 年开始，我们将使用交流电源代替直流电源，并将转向不产生微滴的流通式电穿孔方法。这使得电穿孔后有效回收细胞成为可能。上述政策变化对本研究课题影响较小。接下来，我们将计算施加电压时的细胞膜电位分布，并尝试计算由于膜电位而发生膜电子渗透的现象。我们的数值分析不能很好地计算膜电位，因为它没有考虑膜穿孔状态随时间的变化。因此，需要在计算条件中体现非稳态膜穿孔现象导致膜的电导率如何变化。 RIKEN 的 Mahmoud 等人（分析化学，2020）被认为已经解决了这个问题，但他们发表的论文没有提供有关其数值分析方法的详细信息。未来我们将继续研究计算方法。对于自2022年开始研究的流通式电穿孔，多个细胞进入一个液滴的现象，这是之前芯片上微滴电穿孔的一个问题，已经成为一个更大的问题。我们认为，如果多个细胞成团地进入约 40 μm 电极之间的空间，则电压施加将无法按计划进行，导致电穿孔不完全。在这个实验室中，我们计划使用微珠模拟细胞，并通过实验和数值分析来研究分裂细胞团的通道结构。因此，我们在2022年建造了微器件流动实验观测装置。外包PDMS流程将花费约50万日元，因此我们正在考虑替代措施。