脳機能解明に向けたシグナル伝達の多項目同時イメージング法の開発

• Project/Area Number: 16J02105
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Nano/Microsystems
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 阿部 博弥 東北大学, 材料科学高等研究所, 助手
• Project Period (FY): 2016-04-22 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥3,400,000 (Direct Cost: ¥3,400,000); Fiscal Year 2018: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2017: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2016: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 神経伝達物質 / 電気化学イメージングセンサ / 電気化学 / 神経科学 / マイクロ・ナノデバイス / 電気化学イメージング / ドーパミン / ポリドーパミン / 電気化学センサー / バイオセンサー

Outline of Annual Research Achievements

脳に関する情報伝達や記憶といった機能や神経変性疾患の理解は、光学的手法や機能的核磁気 共鳴画像法などの分析技術の発達により確実に深まっている。一方で、これらの分析手法は定 量性が乏しいことや、単項目解析であることが課題であった。そこで、定量性を有し、多項目同時解析可能な新規電気化学イメージングセンサを開発する。具体的には、これまでに開発した集積回路を利用した電気化学デバイスを基板として、集積回路への多項目計測システムの導入、種々の神経伝達物質の選択的検出、活動電位の高感度検出を目指す。これらにより、神経伝達物質の選択的検出および活動電位の高感度検出を可能とする 新規電気化学センサの開発を目指した。
1年目および2年目では複数の神経伝達物質を同時に評価できる電気化学イメージングデバイスの開発に着手してきた。このデバイスでは、選択的に電極に酵素を導入した電極を作成することで、ドーパミンおよびグルタミン酸の同時検出に成功している。
最終年度になる3年目では、これまでに作成してきた新規電化学デバイスの神経伝達物質の検出感度をさらに高感度化するために、シグナル増幅機構および神経伝達物質の選択的検出能を有する電気化学イメージングデバイスの設計、シミュレーションそして作成を行った。作成した新規電気化学イメージングデバイスその結果、2から3倍近く神経伝達物質の検出感度の向上を確認した。また、シミュレーション結果とも一致しており、設計通りのデバイス作成に成功したと言える。本デバイスを用いて神経様細胞塊を評価し、リアルタイムで神経様細胞塊から放出される神経伝達物質の検出に成功した。
これらの成果をまとめ、現在学会発表や国際誌への投稿を行っている。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] N- and Fe-containing Carbon Films Prepared by Calcination of Polydopamine Composites Self-assembled at Air/Water Interface for Oxygen Reduction Reaction (2019)
  • Author(s): Abe Hiroya、Nozaki Kohei、Kumatani Akichika、Matsue Tomokazu、Yabu Hiroshi
  • Journal Title: Chemistry Letters Volume: 48 Issue: 2 Pages: 102-105
  • DOI: 10.1246/cl.180872
  • NAID: 130007590878
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Simultaneous and selective imaging of dopamine and glutamate using an enzyme‐modified large‐scale integration (LSI)‐based amperometric electrochemical device (2018)
  • Author(s): Hiroya Abe, Tomoki Iwama, Hiroshi Yabu, Kosuke Ino, Kumi Y. Inoue, Atsushi Suda, Ryota Kunikata, Masahki Matsudaira, Tomokazu Matsue
  • Journal Title: Electroanalysis Volume: 30 Issue: 12 Pages: 2841-2846
  • DOI: 10.1002/elan.201800386
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electrochemicolor imaging using an LSI-Based device for multiplexed cell assays (2017)
  • Author(s): Yusuke Kanno, Kosuke Ino, Hiroya Abe, Chika Sakamoto, Takehiro Onodera, Kumi Y Inoue, Atsushi Suda, Ryota Kunikata, Masahki Matsudaira, Hitoshi Shiku, Tomokazu Matsue
  • Journal Title: Analytical Chemistry Volume: 89 Issue: 23 Pages: 12778-12786
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.7b03042
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Reversible Shape Transformation of Ultrathin Polydopamine-Stabilized Droplet (2017)
  • Author(s): Abe Hiroya、Matsue Tomokazu、Yabu Hiroshi
  • Journal Title: Langmuir Volume: 33 Issue: 25 Pages: 6404-6409
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.7b01355
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 神経伝達物質の選択的イメージングに向けた電気化学デバイスの開発 (2018)
  • Author(s): 阿部 博弥、岩間 智紀、藪 浩、井上(安田) 久美、國方 亮太、須田 篤史、松平 昌昭、末永 智一
  • Organizer: 日本分析化学会第67年会
• [Presentation] 鉄フタロシアニン系触媒による高活性な酸素還元反応の実現 (2018)
  • Author(s): 阿部 博弥、平井 裕太郎、野崎 浩平、末永 智一、藪 浩
  • Organizer: 2018年電気化学秋季大会
• [Presentation] Fe Phthalocyanine Derivative Modified Carbon Electrodes for High Performance Oxygen Reduction Reaction (2018)
  • Author(s): Hiroya Abe, Yutaro Hirai, Kohei Nozaki, Tomokazu Matsue, Hiroshi Yabu
  • Organizer: The 2018 Spring Meeting of the European Materials Research Society (E-MRS)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 鉄フタロシアニン誘導体触媒電極による高活性酸素還元反応 (2018)
  • Author(s): 阿部 博弥,平井 裕太郎,野崎 浩平, 末永 智一, 藪 浩
  • Organizer: 第65回 応用物理学会 春季学術講演会
• [Presentation] 気液界面に形成したポリドーパミン薄膜と液滴平面化 (2017)
  • Author(s): 阿部 博弥、藪 浩、末永 智一
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 2017-03-14
• [Presentation] Flattening Water Drops with Polydopamine Membranes (2017)
  • Author(s): H. Abe, T. Matsue, H. Yabu
  • Organizer: The AIMR International Symposium 2017 (AMIS2017)
  • Place of Presentation: Sendai
  • Year and Date: 2017-02-13
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Bubble Lithographic Electoless Bespreading (BLEB) Technique for Transparent and Flexible Electrodes (2017)
  • Author(s): Hiroya Abe, Tomokazu Matsue, Hiroshi Yabu
  • Organizer: MRS fall meeting 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 神経伝達物質の選択的同時イメージングに向けた電極アレイの作製 (2017)
  • Author(s): 阿部博弥、岩間智紀、藪浩、伊野浩介、井上(安田)久美、 國方亮太、須田篤史、松平昌昭、末永智一
  • Organizer: 電気化学会東北支部若手会
• [Presentation] Flattened Water Drops by Polydopamine Membranes (2016)
  • Author(s): H. Abe, H. Yabu, T. Matsue
  • Organizer: Asia NANO 2016
  • Place of Presentation: Sapporo
  • Year and Date: 2016-10-10
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] CMOS-based amperometric sensor utilizing redox-cycling technique for selective detection of dopamine from PC12 spheroids (2016)
  • Author(s): H. Abe, K. Ino, Y. Kanno, K. Y. Inoue, A. Suda, R. Kunikata, M. Matsudaira, H. Shiku, T. Matsue
  • Organizer: PRiME 2016
  • Place of Presentation: Hawaii, USA
  • Year and Date: 2016-10-02
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Redox Cycling-based CMOS Electrochemical Sensor for Selective Detection of Dopamine (2016)
  • Author(s): H. Abe, K. Ino, C.-Z. Li, Y. Kanno, K. Y. Inoue, A. Suda, R. Kunikata, M. Matsudaira, H. Shiku, T. Matsue
  • Organizer: RSC Tokyo International conference 2016
  • Place of Presentation: Chiba
  • Year and Date: 2016-09-08
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 神経活動の多項目同時解析に向けたマルチレンジ電気化学から―イメージング法の開発 (2016)
  • Author(s): 阿部 博弥、伊野 浩介、菅野 佑介、井上(安田) 久美、國方 亮太、須田 篤史、松平 昌昭、珠玖 仁、末永 智一
  • Organizer: 第34回化学とマイクロ・ナノシステム学会
  • Place of Presentation: 千葉
  • Year and Date: 2016-09-06
• [Presentation] レドックスサイクル誘導可能な新規CMOS型多点デバイスの開発 (2016)
  • Author(s): 阿部 博弥、伊野 浩介、菅野 佑介、井上(安田) 久美、國方 亮太、須田 篤史、松平 昌昭、珠玖 仁、末永 智一
  • Organizer: 日本分析化学会 第76回分析化学討論会
  • Place of Presentation: 岐阜
  • Year and Date: 2016-05-28
• [Presentation] ポリドーパミン自己組織化膜による液滴平面化現象 (2016)
  • Author(s): 阿部 博弥、伊野 浩介、藪 浩、末永 智一
  • Organizer: 第65回高分子学会年次大会
  • Place of Presentation: 神戸
  • Year and Date: 2016-05-25
• [Presentation] 神経活動の多項目同時解析に向けた新規電気化学デバイスの開発 (2016)
  • Author(s): 阿部博弥
  • Organizer: セルプロセッシング計測評価研究部会第8回若手研究シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京