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Development of a label-free bio image sensor to visualize the neurotransmitter dynamics for elucidation of the tripartite synapse.

Research Project

Project/Area Number 20J11860
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Review Section Basic Section 28040:Nanobioscience-related
Research InstitutionToyohashi University of Technology

Principal Investigator

土井 英生  豊橋技術科学大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2020-04-24 – 2022-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥2,100,000 (Direct Cost: ¥2,100,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
Keywords神経伝達物質 / 細胞外イオン / バイオイメージング / イメージングデバイス / 非標識 / 酸化還元 / イオノフォア / 半導体イメージセンサ / 多孔質膜 / 酵素
Outline of Research at the Start

神経細胞のシナプス及びそれらを取り巻くグリア細胞はATP,グルタミン酸等の神経伝達物質(グリア伝達物質)と呼ばれる化学物質を細胞外に放出,伝達し合うことで脳機能に関わる情報処理・発信の素過程を担う重要な役割を果たしていることが示唆されているが,これらの微視的かつ巨視的な挙動の時空間イメージング及び解析は実現されていない.本研究では,半導体イメージセンサ技術に分子認識機能を有する酵素及び電子反応を授受するメディエータによる酸化還元反応の検出技術を応用し,nMレベルの検出感度で複数種類の神経伝達物質を同時に可視化及び解析可能な非標識神経伝達物質イメージセンサの開発を進める.

Outline of Annual Research Achievements

本研究では,神経伝達物質(ATP,Lactateなど)やイオン(Caイオン,Kイオン)の時空間ダイナミクスを非標識で可視化可能な画素ピッチ23.55 umの神経伝達物質・イオンイメージセンサを実現し,バイオイメージングへの可能性を検証した。神経伝達物質イメージセンサについては,標的物質としてのATP,Lactate, GlutamateについてuMからnMレベルでの低濃度検出を実現できており,前年度に開発したセンサ上に脳神経組織(海馬)のスライス標本を乗せて細胞外応答を検証した。興奮性の神経伝達を模倣したグルタミン酸刺激でATP由来の信号変化は計測できなかったが,Lactateの空間的放出応答を可視化可能なイメージングデバイスを実証した。イオンイメージセンサについては,昨年度に開発し海馬スライスを用いたグルタミン酸刺激実験で細胞外Ca2+([Ca2+]o)が低下すること,この応答にNMDA型グルタミン酸受容体の関与を示唆しており,本年度は[Ca2+]o低下について,NMDAおよび受容体阻害薬を用いて検証した。NMDA刺激実験で海馬スライスの神経細胞層に沿って[Ca2+]o低下が認められ,この応答はNMDA受容体の阻害薬の存在下でほぼ消失した。これより,[Ca2+]o低下に記憶や学習に深く関わるNMDA受容体が強く関与することを明らかにした。また,K+イオノフォアを分子認識素子とし,高感度,高い選択性を備えたK+イメージセンサの開発にも成功した。本センサを用いた海馬スライスの薬剤刺激実験では,細胞外K+の時空間分布がダイナミックに変化する様子をリアルタイムに可視化し,イメージングデバイスとしての機能を実証した。さらに,感応膜の膜厚が空間解像度に大きく影響することを生体実験で実証し,薄膜化の有用性を示した。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (14 results)

All 2022 2021 2020 Other

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 3 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] CMOS-based redox-type label-free ATP image sensor for in vitro sensitive imaging of extracellular ATP2022

    • Author(s)
      Hideo Doi, Tomoko Horio, Yong-Joon Choi, Kazuhiro Takahashi, Toshihiko Noda and Kazuaki Sawada
    • Journal Title

      Sensors

      Volume: 22 Issue: 1 Pages: 2022-2022

    • DOI

      10.3390/s22010075

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Redox sensor array with 23.5-um resolution for real-time imaging of hydrogen peroxide and glutamate based on charge-transfer-type potentiometric sensor2021

    • Author(s)
      Tatsuya Iwata, Yuki Okumura, Koichi Okumura, Tomoko Horio, Hideo Doi, Kazuhiro Takahashi and Kazuaki Sawada
    • Journal Title

      Sensors

      Volume: 21 Issue: 22 Pages: 7682-7682

    • DOI

      10.3390/s21227682

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Development of a label-free ATP imaging sensor for analyzing spatiotemporal patterns of ATP resease from biological tissues.2021

    • Author(s)
      Doi H, Parajuli B, Horio T, Shigetomi E, Shinozaki Y, Noda T, Takahashi K, Hattori T, Koizumi S, Sawada T.
    • Journal Title

      Sens Act B: Chemical

      Volume: 335 Pages: 129686-129686

    • DOI

      10.1016/j.snb.2021.129686

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Ca2+イメージセンサを用いた海馬の細胞外Ca2+の可視化2021

    • Author(s)
      パラジュリ ビージェイ, 土井英生, 繁冨英治, 篠﨑陽一, 野田俊彦, 高橋一浩, 澤田和明, 小泉修一
    • Organizer
      第94回 日本薬理学会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] in vitro環境下での高感度イメージングに向けた酸化還元型非標識ATPイメージセンサの製作2021

    • Author(s)
      土井英生, 堀尾智子, 崔容俊, 高橋一浩, 野田 俊彦, 澤田和明
    • Organizer
      第38回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 乳酸および水素イオンを同時に可視化可能なマルチイオンイメージセンサの製作と海馬スライス細胞外イメージングへの応用2021

    • Author(s)
      村口迅人, 土井英生, 堀尾智子, パラジュリ ビージェイ, 繁冨 英治, 篠崎 陽一, 崔 容俊, 高橋 一浩, 服部 敏明, 野田 俊彦, 小泉 修一, 澤田 和明
    • Organizer
      第38回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Redox-type label-free ATP image sensor for highly sensitive in vitro imaging of extracellular ATP2021

    • Author(s)
      Hideo Doi, Tomoko Horio, Young-Joon Choi, Kazuhiro Takahashi, Toshihiko Noda, and Kazuaki Sawada
    • Organizer
      The 21st International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (TRANSDUCERS 2021)
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Multimodal neurotransmitter image sensor with lateral ion diffusion suppressor2021

    • Author(s)
      Chinatsu Kawakami, Shirlyn Eng Shu Ying, Tomoko Horio, Hideo Doi, Young-Joon Choi, Kazuhiro Takahashi, Toshihiko Noda, and Kazuaki Sawada
    • Organizer
      The 21st International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (TRANSDUCERS 2021)
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] PVC膜型非標識Ca2+イメージセンサの出力応答改善に向けたCa2+検出特性の検討2021

    • Author(s)
      土井英生, 堀尾智子, 崔容俊, 高橋一浩, 野田俊彦, 澤田和明
    • Organizer
      第68回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] ポーラスアルミナ薄板をイオンの横方向拡散防止構造体とした高精細神経伝達物質イメージセンサの開発2021

    • Author(s)
      川上千夏,Shirlyn Eng Shu Ying,堀尾智子,土井英生,崔容俊,高橋一浩,野田俊彦,澤田和明
    • Organizer
      第68回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 刺入型センサによる植物体内カルシウムイオンイメージングに向けた基礎検討2021

    • Author(s)
      吉田太一,泉保賢汰,土井英生, 堀尾智子,戸田清太郎,高山弘太郎,崔容俊,高橋一浩,澤田和明,野田俊彦
    • Organizer
      第68回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 興奮性シナプス伝達による海馬スライスの細胞外Ca2+の時空間イメージング2020

    • Author(s)
      土井英生, Bijay Parajuli, 繁富英治, 堀尾智子, 篠崎陽一, 高橋一浩, 服部敏明, 野田 俊彦, 小泉修一, 澤田和明
    • Organizer
      第37回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 乳酸分布と水素イオン分布を同時に検出可能なマルチモーダルイメージセンサの製作2020

    • Author(s)
      村口迅人, 土井英生, 雌熊宏隆, 堀尾智子, 高橋一浩, 野田俊彦, 澤田和明
    • Organizer
      第81回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Remarks] 豊橋技術科学大学 電気・電子情報工学系 集積化バイオセンサ・MEMSグループ ホームページ

    • URL

      http://int.ee.tut.ac.jp/bio/

    • Related Report
      2020 Annual Research Report

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Published: 2020-07-07   Modified: 2024-03-26  

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