自然共生システム学講座
環境生命機能学分野

秘書

Environmentally Benign Systems

高野 聡美

Environmental Bioengineering

マイクロ・ナノ電極を利用する環境・医工学バイオセンサデバイスおよび材料評価システムの開発
Development of Environmental/Biomedical Sensors and Visualization Systems
for Material Functions with Micro/Nano Electrodes

研究補佐員
大宮 明子

教授 珠玖 仁准教授 伊野 浩介

客員准教授 井上 久美

客員准教授 熊谷 明哉

助教 阿部 博弥

（工学研究科 兼任）
Professor（工学研究科 兼任）
Associate Professor（山梨大学 兼任）
Associate Professor（東京大学 兼任）
Associate Professor（学際科学フロンティア研究所 兼任）
Assistant Professor

Hitoshi Shiku

現在、微小なデバイスのバイオ応用・環境モニタリングに大きな期待が寄せられている。これらのデバイスを使用することで、これまで困難だった生体現象の観察や、簡便かつ迅速な環境評価、医療検査が可能になっている。また、生体を模倣した微小な細胞チップを作製することで、再生医療応用や生体内での化学物質のモニタリングが可能になる。このような目的のために、我々はマイクロ・ナノシステムを組み込んだ電気化学デバイスの開発に取り組んでいる。図 1 には、2023 年の研究室のメンバーの写真を示す。
Micro/nano-devices are in continual demand in biological science and engineering to achieve accurate analytical information. We have developed
micro/nano-electrochemical systems for environmental and biomedical applications, as well as to evaluate energy materials. Additionally, we areinvestigating the role of the tissue microenvironment by utilizing a microfluidic device and scanning probe microscopy. These devices are useful inenvironmental monitoring, medical applications, and engineering. Fig. 1 shows a photo of members.

生体摸倣モデルのためバイオセンサ
血管摸倣モデルのためのセンサデバイスを開発した。具体的には、血流を模した流れが付与可能なマイクロ流体デバイスに電気化学センサと細胞を配置して、細胞が放出する化学物質の in-situ リアル
タイム計測に成功した（図 2）。

疎水性流体表面での細胞培養環境の構築
一般的に疎水性流体表面は細胞接着性が乏しいため、疎水性流ティングにより細胞接着性の向上を確認した。また、疎水性流体表面へのシワの導入に成功し、シワに沿った細胞の接着、配列が確認された（図 3）。

生体分子の高感度バイオセンサ

We developed sensing platforms for the vascular models as
microphysiological systems (MPSs). Microfluidic devices contained avascular endothelial monolayer on a porous membrane. Anelectrochemical sensor was integrated into the membrane, and chemicals
secreted from cells were successfully monitored in real time (Fig. 2).

Building a cell culture environment onhydrophobic fluid surfaces
Analyzing the adhesion of cells to hydrophobic fluid surfaces, which
generally exhibit poor cell adhesion, is challenging. We designed asurface coating with biomimetic polymer materials to improve celladhesion on the fluidic surface. Additionally, we achieved a successful
introduction of wrinkles onto hydrophobic fluid surfaces, observing celladhesion and alignment along the wrinkles (Fig. 3).

Kumi Y. Inoue

Akichika Kumatani

走査型イオンコンダクタンス顕微鏡（SICM）を用いた細胞膜のナノイメージング
ナノキャピラリーを探針した SICM を用いて培養細胞の細胞膜の凹凸をナノメートルサイズの解像度で可視化した（図 5）。高速に走査を繰り返すことで 0.5 ～ 1.0 images/min を達成しており、薬剤に対する細胞応答のリアルタイム計測が期待できる。

ナノ電気化学セル顕微鏡（SECCM）を用いた材料評価
SECCM を用いて、二次元材料の触媒活性の局所領域の評価を行った。これらの結果は，材料設計の指針に利用できる。

学会発表
1 件の基調講演と 2 件の招待講演を行った。これらを含め、35件以上の学会発表を行った。

電気化学発光現象を利用したデジタルイムノアッセイ法を開発し○ 阿部博弥（助教）：MIT テクノロジーレビュー「Innovators Under 35

We reported the immunoassay based on electrochemiluminescenceimaging and digital bead system (Fig. 4). The assay can amplify signals
and count individual analytes, resulting in a highly sensitive assay.

Scanning ion conductance microscopy to visualize
the morphology of a single cell’s membrane
A nanocapillary was used in scanning ion conductance microscopy(SICM) imaging of nanoscale visualization of the cell membrane (Fig. 5).
By using a high-speed SICM, 0.5–1.0 images/min was achieved. In thefuture, cellular responses for drugs will be monitored in real time.

Scanning electrochemical cell microscopy toevaluate 2D materials
A scanning electrochemical cell microscopy (SECCM) was used toevaluate the catalytic activity of 2D materials. This technique can beutilized in the design of 2D materials.

More than 35 presentations, including one keynote and two invited lectures.

Lab on a Chip outstanding research award- Hiroya Abe (Assistant Professor): MIT Technology Review Innovators
Under 35 Japan 2023
- Kaoru Hiramoto (Assistant Professor), Kosuke Ino (Associate Professor),
Ayumi Hirano (Professor), and Hitoshi Shiku (Professor): Lab on a Chipoutstanding research award- Kentaro Ito (D3): President's Award (Tohoku University)- Yoshinobu Utagawa (D1): Excellent Student Award of the Society for
Biotechnology, Japan○ 伊藤健太郎（D3）：東北大学総長賞○ 宇田川喜信（D1）：第 12 回生物工学学生優秀賞（飛翔賞）○ Electroanalysis, 34, 212, 2022, top downloaded article (Wiley)

Journal Covers, and Top Downloaded Article(Fig. 6)
- Macromolecular Bioscience, 23, 2300069, 2023, selected as a front cover.
- Advanced Healthcare Materials, in press, DOI: 10.1002/adhm.202302011,selected as a cover.
- Electroanalysis, 34, 212, 2022, top downloaded article (Wiley)Fig. 2 Vascular-on-a-chip with a porous membrane electrode for in situ
electrochemical detection of nitric oxide (NO) released from endothelial cells.
Reprinted with permission from Analytical Chemistry (in press, DOI: 10.1021/
acs.analchem.3c03684). Copyright 2023 American Chemical Society.

Fig. 1 Photo of members in 2023.

54 Coexistence Activity Report 2023

Fig. 3 Images of the wrinkled hydrophobic fluid surface.

Fig. 4 Immunoassay based onelectrochemiluminescence imaging and digitalbead system. Reprinted from Biosensors andBioelectronics: X (13, 100312, 2023). Copyright2023 The Authors. Under CC-BY license.

Fig. 5 SICM imaging of the cellular membrane of asingle cell. Left: general outline of SICM. Right: SICM
image of a HeLa cell. Scale bars: 2 µm. Reprinted withpermission from Electrochimica Acta (441, 141783,2023). Copyright 2023 Elsevier.

Department of Frontier Sciences for Advanced Environment

Awards○ Advanced Healthcare Materials, 12, 2302011, 2023, selected
as a cover.ている（図 4）。

Highly sensitive biosensors

Japan 2023」○ 平本薫（助教）、伊野浩介（准教授）、平野愛弓（教授）、珠玖仁（教授）：○ Macromolecular Bioscience, 23, 2300069, 2023, selected asa front cover.

対象物質を濃度でなく個数を数えることで、高感度な計測が実現しHiroya Abe

Conference presentations受賞

学術雑誌での表紙、注目論文（図 6）た。この手法では、シグナル増幅システムが組み込まれており、また、

丹治 陽子

先端環境創成学専攻

体と接着性の解析は困難であるが、生物模倣高分子材料の表面コー

Biosensors for microphysiological systems

Kosuke Ino

遠藤 梨奈

Fig. 6 Journal covers. Reprinted fromMacromolecular Bioscience and Advanced
Healthcare Materials. Copyright 2023 John
Wiley and Sons.

Coexistence Activity Report 202355