リボソームは、中性子スピンエコー分光法でのみ観察できるタンパク質ドメインダイナミクスを利用した生物学的機械である。

バイオエレクトロニクスは生物学と電子工学の融合に関する研究分野です。

定義

1991年11月にブリュッセルで開催された第1回CECワークショップにおいて、バイオエレクトロニクスは「情報処理システムや新しいデバイスのための生物学的材料および生物学的アーキテクチャの利用」と定義されました。[要出典]バイオエレクトロニクス、特にバイオ分子エレクトロニクスは、「新しい情報処理システム、センサー、アクチュエータの実装、そして原子スケールまでの分子製造のための、生物学的に着想を得た（すなわち自己組織化）無機および有機材料、および生物学的に着想を得た（すなわち超並列処理）ハードウェアアーキテクチャの研究開発」と説明されました。[1]米国商務省の機関である米国国立標準技術研究所 （ NIST）は、2009年の報告書でバイオエレクトロニクスを「生物学とエレクトロニクスの融合から生まれた分野」と定義しました。[2] : 5 

この分野に関する情報源としては、 1990年から発行されている電気電子学会（IEEE）のエルゼビア誌『バイオセンサーとバイオエレクトロニクス』が挙げられる。同誌はバイオエレクトロニクスの範囲を次のように定義している。「…生物学とエレクトロニクスを、例えば生物燃料電池、バイオニクス、情報処理、情報ストレージ、電子部品、アクチュエータのための生体材料など、より広い文脈で活用すること。重要な側面は、生物材料とマイクロエレクトロニクスおよびナノエレクトロニクスとのインターフェースである。」[3]

歴史

バイオエレクトロニクスに関する最初の研究は18世紀にイタリアの医師であり科学者でもあったルイージ・ガルヴァーニが、切り離したカエルの脚に電圧をかけたことに遡ります。脚が動き、バイオエレクトロニクスの誕生のきっかけとなりました。[4]ペースメーカーの発明以来、エレクトロニクス技術は生物学と医学に応用され、医療画像産業にも応用されてきました。2009年にタイトルまたは抄録に「バイオエレクトロニクス」という用語を使用した出版物の調査によると、研究の中心地はヨーロッパ（43%）、次いでアジア（23%）、米国（20%）となっています。[2] : 6 

材料

有機バイオエレクトロニクスは、有機電子材料をバイオエレクトロニクス分野に応用する分野です。有機材料（炭素を含む材料）は、生物系とのインターフェースとして大きな可能性を秘めています。[5]現在の応用分野は、神経科学[6] [7]と感染症[8] [9]に集中しています。

有機電子材料である導電性ポリマーコーティングは、材料技術の飛躍的な進歩を示しています。[要出典]これは最も洗練された電気刺激方式でした。電気刺激における電極のインピーダンスを改善し、記録品質の向上と「有害な電気化学的副反応」の低減をもたらしました。1984年、マーク・ライトンとその同僚は、イオン輸送能力を持つ有機電気化学トランジスタ（OECT）を発明しました。これにより信号対雑音比が向上し、測定インピーダンスが低くなりました。特定の身体部位や臓器に薬剤を付着させることができる装置である有機電子イオンポンプ（OEIP）は、マグナス・ベルグレンによって開発されました。[4]

CMOS技術において確立された数少ない材料の一つである窒化チタン（TiN）は、非常に安定しており、医療用インプラントの電極用途に適していることが判明しました。[10] [11]

重要なアプリケーション

バイオエレクトロニクスは、障害や病気を抱える人々の生活の質を向上させるために使用されています。たとえば、血糖値モニターは糖尿病患者が血糖値を制御および測定できるポータブルデバイスです。[4]電気刺激は、てんかん、慢性疼痛、パーキンソン病、難聴、本態性振戦、失明の患者の治療に使用されます。[12] [13]マグナス・バーグレンとその同僚は、治療目的で生きた自由動物に使用された最初のバイオエレクトロニクスインプラントデバイスであるOEIPのバリエーションを作成しました。これは、酸であるGABAに電流を送信しました。体内のGABA不足は慢性疼痛の要因です。その後、GABAは損傷した神経に適切に分散され、鎮痛剤として機能します。[7] 迷走神経刺激（VNS）は、迷走神経のコリン作動性抗炎症経路（CAP）を活性化するために使用され、関節炎などの疾患の患者の炎症を軽減します。うつ病やてんかんの患者は閉鎖性CAPにかかりやすいため、VNSは彼らにも役立ちます。[14]同時に、人々の生活を改善するために使用される電子機器を備えたシステムのすべてが必ずしもバイオエレクトロニクスデバイスであるわけではなく、電子機器と生物学的システムの密接かつ直接的なインターフェースを伴うものだけが含まれます。[15]

バイオエレクトロニクスは、がん細胞の浸潤や薬剤耐性をモニタリングするための新たなラベルフリー手法の開発に活用できる可能性があります。例えば、がん細胞の電気抵抗は、抗がん剤の効果を予測したり、特定の種類のがんに対して最も効果的である可能性の高い薬剤を特定したりするために活用できる可能性があります。[16]

ヒト組織の再生

多細胞生物のほとんどの組織と同様に、人間の組織も再生能力があることが知られています。[17]皮膚などの組織や肝臓などの大きな臓器でさえも再生能力が顕著であることが示されている一方で、成人の体の大部分は限られた自然再生能力しか持たないと考えられています。[18] [19]再生医療の分野での研究では、発生中の生体電気を利用して、自然に起こる以上の組織成長を刺激し、修正できることが明らかになっており、哺乳類でその実現可能性を実証する取り組みが進行中です。 [20] [21]一部の研究者は、将来の進歩により、正しい信号を提供する生体電子デバイスを使用して、臓器または手足全体の再生が可能になると考えています。[22]


未来

細胞の状態を細胞レベル以下の解像度で監視するための基準やツールの改善には、資金と雇用が不足している。[要出典]これは問題である。なぜなら、他の科学分野の進歩により、大規模な細胞集団の分析が開始されており、そのような可視レベルで細胞を監視できるデバイスの必要性が高まっているからだ。細胞は、有害物質の検出など、本来の目的以外には多くの用途がない。この科学をナノテクノロジーと融合させることで、非常に正確な検出方法が可能になる可能性がある。バイオテロからの保護など、人命を守ることは、バイオエレクトロニクスにおける最大の研究分野である。政府は、化学的および生物学的脅威を検出するデバイスや材料を求め始めている。デバイスのサイズが小型化すればするほど、性能と機能が向上するだろう。[2]

参照

参考文献

  1. ^ Nicolini C (1995). 「神経チップと人工生体分子からバイオエレクトロニクスデバイスへ：概要」.バイオセンサー＆バイオエレクトロニクス. 10 ( 1–2 ): 105–27 . doi :10.1016/0956-5663(95)96799-5. PMID  7734117.
  2. ^ abc 「バイオエレクトロニクスの枠組み：発見と革新」（PDF）。米国国立標準技術研究所。2009年2月。p.42。
  3. ^ 「バイオセンサーとバイオエレクトロニクス」エルゼビア。
  4. ^ abc Rivnay J, Owens RM, Malliaras GG (2014年1月14日). 「有機バイオエレクトロニクスの台頭」.材料化学. 26 (1): 679– 685. doi :10.1021/cm4022003.
  5. ^ オーエンズ R、キャール P、リヒターダールフォルス A、シコイラ F (2013 年 9 月)。 「有機バイオエレクトロニクス - 生物医学における新しい応用。序文」。Biochimica と Biophysica Acta。1830 (9): 4283–5 . doi :10.1016/j.bbagen.2013.04.025。PMID  23623969。
  6. ^ Simon DT, Larsson KC, Nilsson D, Burström G, Galter D, Berggren M, Richter-Dahlfors A (2015年9月). 「有機電子生体模倣ニューロンによる自動制御型ニューロモジュレーションの実現」. Biosensors & Bioelectronics . 71 : 359– 364. doi :10.1016/j.bios.2015.04.058. PMID  25932795.
  7. ^ ab Jonsson A, Song Z, Nilsson D, Meyerson BA, Simon DT, Linderoth B, Berggren M (2015年5月). 「埋め込み型有機バイオエレクトロニクスを用いた治療」. Science Advances . 1 (4) e1500039. Bibcode :2015SciA....1E0039J. doi :10.1126/sciadv.1500039. PMC 4640645. PMID 26601181  . 
  8. ^ Löffler S, Libberton B, Richter-Dahlfors A (2015). 「感染症における有機バイオエレクトロニクス」. Journal of Materials Chemistry B. 3 ( 25): 4979– 4992. doi : 10.1039/C5TB00382B . PMID  32262450.
  9. ^ Löffler S, Libberton B, Richter-Dahlfors A (2015年11月). 「バイオメディカルアプリケーションのための有機バイオエレクトロニクスツール」. Electronics . 4 (4): 879– 908. doi : 10.3390/electronics4040879 .
  10. ^ Hämmerle H、Kobuch K、Kohler K、Nisch W、Sachs H、Stelzle M (2002 年 2 月)。 「網膜下移植用マイクロフォトダイオードアレイの生体安定性」。生体材料。23 (3): 797–804。土井:10.1016/S0142-9612(01)00185-5。PMID  11771699。
  11. ^ グロゲナー P、クラウゼ M、カッツァー J、シューベルト MA、ビルクホルツ M、ベルマン O、クレーガー コッホ C、ハモン HM、メッゲス CC、ウェルシュ C、ラフ R、ホフマン KP (2018)。 「生体内暴露中のマイクロチップセンサーインプラントの長期にわたる腐食安定性」。バイオセンサー。8 (1): 13.土井: 10.3390/bios8010013。PMC 5872061。PMID  29389853。 
  12. ^ Simon DT, Gabrielsson EO, Tybrandt K, Berggren M (2016年11月). 「有機バイオエレクトロニクス：生物学と技術のシグナル伝達ギャップを埋める」. Chemical Reviews . 116 (21): 13009– 13041. doi : 10.1021/acs.chemrev.6b00146 . PMID  27367172.
  13. ^ 「CALA ONEのDE NOVO分類要求」(PDF) . 2021年9月11日閲覧。
  14. ^ Koopman FA, Schuurman PR, Vervoordeldonk MJ, Tak PP (2014年8月). 「迷走神経刺激：関節リウマチ治療における新たなバイオエレクトロニクスアプローチ？」.ベストプラクティス＆リサーチ. 臨床リウマチ学. 28 (4): 625–35 . doi : 10.1016/j.berh.2014.10.015 . PMID  25481554.
  15. ^ Carrara S, Iniewski K (2015). Carrara S, Iniewski K (編).バイオエレクトロニクスハンドブック. Cambridge University Press. pp.  1– 569. doi :10.1017/CBO9781139629539. ISBN 978-1-139-62953-9。
  16. ^ ガルーニ、ミラド;アリカニ、アリレザ。モグタデリ、ハッサン。アビリ、ハメド。マシャギ、アリレザ。アッバスヴァンディ、フェレシュテ。カヤミアン、モハメド・アリ。ミリプール、ゾーレ・サダト。ザンディ、アシュカン。アブドラハド、モハメド（2019年2月22日）。 「細胞骨格のバイオエレクトロニクス: 薬剤耐性を感知するための細胞骨格コンダクタンス変化のモニタリング」。ACS センサー。4 (2): 353–362。土井:10.1021/acssensors.8b01142。PMID  30572702。
  17. ^ 田中, エリー・M.; レディエン, ピーター・W. (2011年7月). 「動物の再生の細胞基盤」. Developmental Cell . 21 (1): 172– 185. doi :10.1016/j.devcel.2011.06.016. PMC 3139400 . 
  18. ^ Gurtner, Geoffrey C.; Werner, Sabine; Barrandon, Yann; Longaker, Michael T. (2008年5月15日). 「創傷修復と再生」. Nature . 453 (7193): 314– 321. doi :10.1038/nature07039.
  19. ^ ミカロプロス, ジョージ・K.; ブシャン, バーラト (2021年1月). 「肝再生：生物学的および病理学的メカニズムとその意義」. Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology . 18 (1): 40– 55. doi :10.1038/s41575-020-0342-4.
  20. ^ Murugan, Nirosha J.; Vigran, Hannah J.; Miller, Kelsie A.; Golding, Annie; Pham, Quang L.; Sperry, Megan M.; Rasmussen-Ivey, Cody; Kane, Anna W.; Kaplan, David L.; Levin, Michael (2022年1月28日). 「ウェアラブルバイオリアクターを介した急性多剤送達は、成体アフリカツメガエルの長期的な四肢再生と機能回復を促進する」. Science Advances . 8 (4). doi :10.1126/sciadv.abj2164. PMC 8791464 . 
  21. ^ Leppik, Liudmila P.; Froemel, Dara; Slavici, Andrei; Ovadia, Zachri N.; Hudak, Lukasz; Henrich, Dirk; Marzi, Ingo; Barker, John H. (2015年12月17日). 「ラットの四肢再生における電気刺激の影響：既存モデルの新たな考察」. Scientific Reports . 5 (1). doi :10.1038/srep18353. PMC 4683620 . 
  22. ^ ハットソン、マシュー（2021年5月3日）「身体に手足の再生を促す」ニューヨーカー誌。 2025年8月24日閲覧。
  • ウィクショナリーにおけるバイオエレクトロニクスの辞書定義
  • Answers.comのバイオエレクトロニクス