| Project/Area Number |
23K21235
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| Project/Area Number (Other) |
21H02282 (2021-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2021-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 40040:Aquatic life science-related
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| Research Institution | Tokyo University of Marine Science and Technology |
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Principal Investigator |
遠藤 英明 東京海洋大学, 学術研究院, 教授 (50242326)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
呉 海云 東京海洋大学, 学術研究院, 准教授 (70802065)
村田 政隆 公益財団法人函館地域産業振興財団(北海道立工業技術センター), 研究開発部, 研究主査 (40505707)
大貫 等 東京海洋大学, 学術研究院, 教授 (60223898)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,030,000 (Direct Cost: ¥13,100,000、Indirect Cost: ¥3,930,000)
Fiscal Year 2024: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2021: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
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| Keywords | バイオセンサ / 魚類 / スマートセンシング / ストレス / QRコード / 可視化 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では，次世代の魚類の生体計測を念頭に，生体内情報の可視化，計測，伝達を可能とするスマートバイオセンシングシステムを創出することを目的とする．すなわち，迅速簡便な情報伝達が可能な情報媒体であるQRコードに着目し，魚の生理状態を把握するにあたって要望が高い測定項目，特にストレス応答のモニタリングを中心に，これらの計測情報をヒトにわかりやすくリアルタイムに伝達できる新しいシステムの構築を目指す．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，次世代に対応できる魚類の生体計測を念頭に，生体内の生理情報の可視化，計測，伝達を可能とするスマートバイオセンシングシステムの創出を目的とする．今年度は，魚類腹部間質液におけるストレス応答モニタリングの最適化，粘液コラーゲン測定用イムノセンサの試作，水中QRコード通信システムの魚体への実装化を念頭に研究を遂行した．
まず，昨年度までセンサの新たな留置部位として魚の腹部間質液（AISF）に着目してきたが，考案してきた留置方法では魚の遊泳によってセンサの脱落がしばしば生じ，その測定値に影響を及ぼすことがあった．そこで本年度は，より安定した魚のストレス応答モニタリングを実現にするために，AISFにおける最適なセンサの留置方法を検討し，新たな手法を考案することができた．次に，これまで魚類の体表粘液中コラーゲン濃度の変動を指標とすることで，非侵襲的な魚のストレス応答測定の可能性を検討してきたところ，魚にストレス負荷を与えた直後から5分ほどの間にコラーゲン生成の増加が確認され，ストレス指標物質としての可能性が示唆された．この結果を基に，今年度は免疫反応と電気化学的測定法を組み合わせた魚類のためのコラーゲン測定用イムノセンサの製作を試みた．さらに，魚類のための水中QRコード通信システムについては，昨年度までに試作したシステムを実際の魚に装着し，バイオセンサより得られたストレス応答値をQRコードに変換，表示させ，スマートフォンを利用して読み取ることができる手法を検討した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
グルコースバイオセンサを魚体内に留置するための新たな手法として，供試魚（ナイルティラピ）の背鰭を下にして，魚の腹部が露出するように固定した．次に，吻先から尾鰭までの直線上における腹鰭と肛門の中間地点に，動物用留置針（14G）を用いて腹腔まで貫通するように穴を開け，そこにセンサを挿入してAISF中に留置した．その結果，魚体が激しく遊泳してもAISF中からのセンサの脱落や，センサの応答値に及ぼす影響は小さく，本留置方法を用いることにより安定したストレス応答モニタリングを実現することができた．次に，コラーゲン測定用イムノセンサの試作では，ディスク型金電極の表面に自己組織化単分子膜を形成させ，抗-I型コラーゲン抗体を固定化した後，これにブロッキング処理を施すことで作製した．本センサは，抗原抗体反応前後の電極表面の状態変化を電気化学的に解析することで，コラーゲンを定量する原理に基づいている．まず，センサの特異性を検討したところ，糖類，タンパク質，ホルモンの各種夾雑物質には応答せず，I型コラーゲンの特異的な検出が可能であった．そして，本センサをティラピア体表粘液中のI型コラーゲンの測定に適用したところ，ELISAによって得られた測定値との間に良好な相関関係が認められた．一方，QRコード通信システムの構成には，昨年に引き続きマイコン開発キット（M5Stack）を用いた．このM5Stackにグルコースバイオセンサを接続し，センサの出力応答値をQRコードに変換して液晶ディスプレイ上に表示させた．その後，ティラピアの体内にセンサを留置し，魚体への接触刺激によるストレス応答測定を試みた．その結果，刺激の負荷・解消に伴う出力応答値の変動をQRコードとスマートフォンを介して確認でき，これまでにない新しい測定法を確立することができた．
以上の理由から研究の進捗はおおむね順調に進展していると考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究は，以下の計画にしたがって研究を遂行する．
1）魚類腹部間質液を用いたストレス応答モニタリング：上述のように魚体内のセンサの新たな留置部位としてAISFが有用であることが明らかとなった．そこで本年度は，AISFに対応可能なフレキシブルバイオセンサを製作し，これを魚体に留置してそのストレス応答モニタリングを試みる．まず，魚体への負担軽減を目的に形状に自由度のある柔らかいPETフィルムを用いたフレキシブルバイオセンサを製作する．このセンサを用いて，淡水魚（ナイルティラピア），海水魚（ニベ，メジナ）の腹腔にセンサを留置した後，魚にストレッサー（強制遊泳）を負荷してそれらのストレス応答モニタリングを試みる．
2）QRコードを情報伝達に用いた魚類のストレス応答モニタリング：スマートフォンを用いたストレス応答モニタリングを可能にするために，M5Stackからセンサへの電圧の印加，および取得したセンサ応答値を複数格納してQRコードの表示が可能なQRコード表示用システムを製作する．また，読み取りモジュールとしてiOSアプリケーションを作成し，QRコードを通信媒体としてスマートフォン（iphone）で読み取ることにより，淡水魚及び海水魚のストレス応答モニタリングを試みる．さらに，センサの異常データの検知が可能な機械学習モデルの作成を試みる．
3）クラウドサービスを用いた魚類のストレス応答解析システムの構築：バイオセンサによるストレス応答モニタリングを普及させるために，データ処理に伴う煩雑な操作を取り除き，データの集積や異常データの識別を人工知能に委託する手法を検討する．最終年度では，クラウドサービス上でデータ処理・分析を自動化するプログラムを構築し，その利便性の向上を目指す．
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