特集

電気化学的手法を用いた細胞活性評価
伊野
はじめに浩介 1*・珠玖

仁 1・末永智一 1,2を満たすため，現在，マイクロ・ナノ技術を用いた電気化学測定システム・デバイスが開発されている．今回は，細胞の活性を評価する事で，さまざまな応用が可能でマイクロ〜ナノメートルサイズの微小電極を用いた細胞ある．たとえば，細胞が分泌するタンパク質の種類や量活性評価に関する測定システムやデバイスについて紹介を測定する事で，有用細胞のスクリーニングが可能であする．

る．また，細胞移植に向けた品質管理や細胞評価も可能

それぞれの具体的なシステムやデバイスを紹介する前であり，再生医療において重要な役割を果たす．また，に，電極の大きさがマイクロ〜ナノメートルサイズの微患者から採取した細胞を評価することで，緻密な健康診小電極の特徴について紹介する．微小電極の優れた特徴断が可能となる．この他に，細胞をセンサ素子としたバの一つとして，細胞の局所的な反応を計測できる事があイオセンサが開発されており，新しい環境モニタリングげられる．一方，局所的な測定が可能であるといった特法が提案されている．学術的な面においては，1 細胞解徴以外にも，微小電極はさまざまな優れた特徴を持って析行う事でこれまで知られていなかった新しい細胞機能いる．たとえば，電極サイズを小さくすると，得られるの解析が期待できる．また，高解像度の細胞活性のイメー電流が小さくなるが，電流密度が高くなり，その結果測ジングを行う事でシグナル伝達に関する新しい知見を得

定感度が良くなる 1)．これは電極に垂直方向以外の物質る事ができる．

移動の寄与が大きくなるからである．微小電極を用いる

このような応用のためには，1 細胞レベル，1 スフェ

利点を以下に簡単にまとめる 1)．

ロイド（細胞塊）レベルで検出できるような高感度な測（1）定常または準定常電流が得られる．

定法が求められる．また，網羅的でハイスループットな（2）ノイズである充電電流の寄与が小さく，測定精測定を実現するためのシステムや装置が重要である．こ度が高い．のために，さまざまなシステム・デバイスが開発されて（3）定常の条件下で化学反応速度，電極反応速度がいる．一般的な細胞活性評価法として，蛍光や吸光分析測定可能である．のような光学的な検出法が用いられている．このような（4）高速な化学反応速度を測定できる．

光学的検出法は広く用いられているが，周辺装置も含め（5）微小電極の組合せで，シグナルを増幅できる．

た小型化が困難，光を吸収，遮光，放出する物質や材料

ここであげた特徴以外にもさまざまな優れた特徴があを使えないと言った問題がある．そこで，従来の蛍光なるが，このような特徴から細胞からの微弱なシグナルをどの光学的システムを用いた評価手法に加えて電気化学高感度に測定できる．したがって，電気化学的な細胞活的手法を用いた細胞活性評価法が多く開発されている．

性評価のためには，マイクロ・ナノテクノロジーが必要

電気化学センサは安く簡単に作製可能であるにも関わら不可欠である．

ず小型化が容易である．さらにリアルタイム計測や定量

細胞活性評価に用いる電極にはさまざまな種類があ的解析が可能であるという優れた特徴を持っている．まる．たとえば，プローブ型電極やデバイス型電極がありた，非侵襲的な測定が可能である．このような優れた特，それぞれの特徴を生かした測定が行われている 2)．
（図 1）

徴から，近年ではウェアラブルセンサや埋め込み型セン

今回は走査型電気化学顕微鏡（scanning electrochemicalサへの応用も検討されている．

microscopy: SECM）とチップ型電極デバイスについて

1 細胞解析や個々の細胞や細胞塊を計測するためには，高感度な測定が必要である．また，細胞スクリーニングへの応用のためには，ハイスループットである必要がある．この他に，細胞の局所の反応を解析するために説明し，電気化学的手法を用いた細胞活性評価について紹介する．
走査型電気化学顕微鏡（SECM）

は空間分解能が高い測定法が必要であり，リアルタイム微小電極をプローブに用いたシステムの一つとして，な測定のためには時間分解能が高い必要がある．これら

走査型電気化学顕微鏡（SECM）があげられる．SECM* 著者紹介 東北大学大学院環境科学研究科環境科学専攻（助教） E-mail: ino.kosuke@bioinfo.che.tohoku.ac.jp

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生物工学

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マイクロバイオ技術の潮流と展望

図 1．細胞活性評価に用いられる電極の種類．プローブ型電極（左）とチップ型電極デバイス（右）のイメージ図．

図 3．電気化学的手法を用いた ALP 活性評価

図 2．SECM を用いた電気化学イメージングのイメージ図

ではサンプル近傍で微小電極を走査し，その位置情報と得られた電流値から，サンプル近傍の化学反応を 2 次元
．空間分解能はプローイメージとして可視化できる（図 2）
ブ電極のサイズに大きく依存し，高分解能の電気化学イメージングを目指して直径がナノメートルサイズの電極プローブが開発されている 3)．SECM を用いて半導体の

図 4．電気化学的手法を用いた細胞の呼吸活性評価

表面分析や腐食研究，液界面間のイオン移動研究，電池評価への応用が行われているが，細胞などのバイオ試料を測定する事が可能になっている．

評価にも用いられている．たとえば，SECM を用いてこの他にもナノメートルサイズのプローブ電極を用いアルカリホスファターゼ（ALP）などの酵素活性を測る事で液中での細胞の形状イメージングが 1 細胞レベル定する事で，細胞活性評価を行える．この手法では基質で可能になっており，生きたままで細胞の高解像度のイとして p- アミノフェニルホスフェート（PAPP）を用いメージングを可能にしている．ており，酵素生成物である p- アミノフェノール（PAP）

このように SECM は，細胞の高解像度の電気化学イを電気化学的に計測している（図 3）．この手法を用いるメージングを可能とし，さまざまな物質を測定する事が事で，分泌型 ALP を用いたレポータージーンアッセイ 4)可能である．一方で電極プローブを走査するための時間や胚性幹細胞の分化評価 が可能になっている．

がかかってしまうため，ハイスループットな細胞活性評

5)

また，細胞近傍の溶存酸素の還元電流値を取得して価やリアルタイムな電気化学イメージング，簡便な細胞細胞近傍での溶存酸素の減少量を計算する事で，1 細胞アッセイに向かないといった問題があげられる．この問や細胞塊の呼吸量を評価する事が可能になっている（図題を解決するため，電極をあらかじめ基板に配置した

4） ．この手法は受精卵の評価への応用が可能であり，チップ型の電極デバイスが開発されている．

5,6)

不妊治療において非常に有用な手法であると言える．また，エキソサイトーシスの検出 7)，酸化ストレスも計測

チップ型電極デバイス可能である 8)．この他にも細胞内部と外部に電極を配置

SECM に対し，簡便な細胞アッセイやハイスループッする事で，活性酸素種（ROS）や活性窒素種（RNS）トなアッセイを目指して，チップ型電極デバイスが開発

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特集されている．また，プローブを走査する必要がないため，デバイスを用いた細胞活性評価を紹介する．多点電極デ時間分解能が高いリアルタイムな細胞計測やイメージンバイスはハイスループットな細胞活性評価や細胞活性のグが可能である．チップ型電極デバイスは，半導体作製イメージングに用いられている．一方で単純に電極を配技術を用いて作製するため，マイクロからナノメートル置させた場合では，センサ部分以外にもコネクタ電極やサイズの電極が作製可能である．また，微細加工技術を

コ ネ ク タ パ ッ ド の 面 積 が 膨 大 に な っ て し ま う た め，用いる事でチップ上に微小流路，微小ウェルなどのさま

1000 点を超えるようなセンサ電極を配置するのは困難

ざまな構造物を作製する事が可能であり，測定系に応じな課題である．このような問題点を解決するため，現在たさまざまなチップ型電極デバイスが報告されている．

さまざまな手法が検討されている．これらの手法につい高感度な測定に向けて，チップ型デバイスの電極表面ては後述する．

をタンパク質やポリマーで修飾する研究が多く報告され先に微小電極の特徴であげたが，微小電極を組み合わている．たとえば，西洋ワサビペルオキシダーゼ（HRP）せる事で，電気化学シグナルを増幅して通常の電気化学とオスミウム（Os）ポリマーで電極表面を修飾するこ

測定より高感度な測定を実現できる．例として，図 7 でとで，高感度な過酸化水素の測定が可能になる（図 5）．

示したような交互くし型電極があげられる 11)．それぞれ過酸化水素はシグナル伝達物質などの役割を果たしておのくし型電極に適切な電圧を印可することで，図 7 に示

り，細胞機能の解析において重要であり，たとえば，ホすレドックスサイクルを呼ばれる現象を誘導できる．レ

ルボールミリステートアセテート（PMA）の刺激によ

ドックスサイクルでは，片方の電極で酸化したレドック

り白血球細胞が放出した過酸化水素を電気化学的にリアス種を，もう一方の電極で還元させる事で，測定対象物ルタイム計測する事で，シグナル伝達などの解析が期待を何度も電極上で反応させる事が可能になり，得られるできる．

電流値を増大させて高感度な測定を実現できる．電極間チップ型電極デバイスは，先であげた SECM と違いの距離をナノメートルオーダーまで近接させたナノ流プローブ電極を走査する必要がないため，物質の拡散を路電極デバイスを用いる事で，1 分子検出も可能であ阻害しないという利点がある．また，リアルタイムな計り 12)，1 分子の挙動解析への応用が検討されている．こ測が可能であるため，細胞機能解析への応用が期待されのような微小電極を用いた測定には，マイクロ〜ナノメーている．特に 1 細胞解析への応用が行われている ．こ

トルサイズの電極を作製する事が必要であり，現在，さの際，各測定点に細胞捕捉用の微小ウェルを配置する事

まざまな電極作製法や電極デザインが報告されている．

9)で，ハイスループットなアッセイが行える（図 6）．
神経細胞や心筋細胞の評価のために，多数の電極をアレイ状に配置した多点電極が開発されており，活動電位などの電位計測が行われているが 10)，今回は電流計測型

図 6．微小ウェル組み込み型多点電極デバイスを用いた細胞活性評価のイメージ図．

図 5．電気化学的手法を用いた過酸化水素の検出．

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図 7．レドックスサイクルによるシグナル増幅．交互くし型電極（左）とナノ流路電極デバイス（右）を用いたレドックスサイクルの誘導．

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ナル増幅器を配置する事で，ノイズが載る前にシグナルを増幅する事も可能であり，高感度な計測が期待できる．
このようなチップ型電極デバイスを用いる事でドーパミンなどの神経伝達物質のリアルタイムな計測が 2 次元的に可能であり，神経細胞のシグナル伝達物質の解析や有用細胞のスクリーニングなどへの応用が行われている 20)．
終わりに
電気化学的手法には今回紹介したようなアンペロメト
リックな計測（電流検出型の測定）以外にもインピーダ
ンス計測などのさまざまな手法があり，それぞれの特徴を生かして細胞活性評価が行われており，今後の細胞活図 8．局所レドックスサイクルによる多点電気化学測定システ
ムの概要（上）とデバイス（下）．

性評価法のさらなる発展が期待されている．
このようにマイクロ・ナノテクノロジーと電気化学的測定を組み合わせる事で，さまざまな細胞活性評価が可能になっている．今後は，ナノメートルサイズの電極やまた，レドックスサイクルを巧みに利用する事で，多緻密に設計されたデバイス構造により，さらに高感度な数の電気化学センサを組み込む事ができるシステムが報

細胞活性評価や高解像度の細胞イメージングが可能にな告されている．この測定システムでは，縦と横の電極がると思われる．

立体的に交差しており，それぞれの電極に適切な電圧を文印可する事で各格子点に局所的にレドックスサイクルを誘導できる（図 8）．このレドックスサイクルによる電気化学シグナルの取得，印可する電圧制御によるレドック
スサイクルを誘導する場所の変更を繰り返す事で，各格子点を独立した電気化学センサとして用いる事が可能である．したがって，2n 本のコネクタパッドで n2 個の電，前述し気化学センサを組み込む事が可能であり（図 8）た多点電気化学測定の問題点を見事に解決している．これまでに，各格子点にくし型電極を配置したチップ型デバイスが開発されており，1024 個の電気化学センサが組み込まれたチップデバイスが報告されている 13)．これ
により，酵素の活性評価 13) や DNA アレイの検出 14)，1
細胞解析 15)，胚性幹細胞の分化評価 16–18) が報告されている．
また，LSI の製造技術を用いる事で，高感度な電気化学センサを集積化したチップ型のデバイスが開発されている 19)．このような LSI 型電気化学デバイスには多数の電気化学センサが搭載されており，バイオ分子の高感度2 次元マッピングが可能になっている．各測定点にシグ

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献1) 青木ら，微小電極を用いる電気化学測定法，電子情報通信学会．

2) Matsue, T.: Bull. Chem. Soc. Jpn., 85, 545 (2012).
3) Takahashi, Y. et al.: Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 109,11540 (2012)4) Murata, T. et al.: Biosens. Bioelectron., 25, 913 (2009).
5) Obregon, R. et al.: Talanta., 94, 30 (2012).
6) Nebel, M. et al.: Angew. Chem. Int. Ed., 52, 6335 (2013).
7) Watson, D. J. et al.: Electroanal, 23, 2757 (2011).
8) Wang, Y. et al.: Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 109, 11534(2012).
9) Liu, X. et al.: Anal. Chem., 83, 2445 (2011).
10) Stett, A. et al.: Anal. Bioanal. Chem., 377, 486 (2003).
11) Niwa, O. et al.: Anal. Chem., 65, 1559 (1993)
12) Zevenbergen, M. A. et al.: Nano Lett., 11, 2881 (2011).
13) Ino, K. et al.: Lab Chip, 11, 385 (2011).
14) Zhu, X. et al.: Sens. Actuator B-Chem., 160, 923 (2011).
15) Şen, M. et al.: Lab Chip, 12, 4328 (2012).
16) Ino, K. et al.: Angew. Chem. Int. Ed., 51, 6648 (2012).
17) Ino, K. et al.: Chem. Commun., 48, 8505 (2012).
18) Ino, K. et al.: Electrochemistry, 81, 682 (2013).
19) Inoue, K. et al.: Lab Chip, 12, 3481 (2012)20) Kim, B. N. et al.: Biosens. Bioelectron., 41, 736 (2013).

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