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Development of label-free bioimaging technique for cellular status

Research Project

Project/Area Number 23K23213
Project/Area Number (Other) 22H01945 (2022-2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023)
Section一般
Review Section Basic Section 29010:Applied physical properties-related
Research InstitutionNational Institute of Advanced Industrial Science and Technology

Principal Investigator

堤 潤也  国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究グループ長 (30573141)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 須丸 公雄  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 生命工学領域, 研究グループ長 (40344436)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000)
Fiscal Year 2024: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2022: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000)
Keywordsバイオイメージング / 非標識 / 細胞品質評価 / 有機薄膜トランジスタ / バイオセンサー / 変調分光 / 再生医療
Outline of Research at the Start

再生医療の発展にともない、何百万個もの幹細胞の中から正常な幹細胞を高スループットに判別する技術が求められている。しかし、生体移植が前提のため、細胞毒性が懸念される標識を用いた従来技術は使えず、再生医療のボトルネックになると言われている。そこで本提案では、非標識かつ高効率に細胞状態を判別可能な、細胞状態イメージング技術の開発に取り組む。研究代表者はこれまでに、物質吸着により半導体表面に誘起された微小な表面電荷を高感度に可視化する独自技術を開発している。本研究では、この技術を発展させ、細胞の状態変化により誘起された表面電荷を可視化する技術を開発することで、非標識の細胞状態イメージングを実現する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、非標識かつ高効率に細胞の状態を判別可能な、細胞状態イメージング技術を開発することである。研究代表者がこれまでに開発した、物質吸着により半導体表面に誘起された微小な表面電荷を高感度に可視化する独自技術を発展させ、細胞吸着のみならず、細胞の状態変化により誘起された表面電荷をも可視化可能にすることで、非標識の細胞状態イメージングを実現する。
前年度は、最もシンプルな細胞の状態変化である細胞死の判別に挑戦し、HeLa細胞が死に至る過程で従来の顕微鏡では不可視の未知のコントラストが広範囲にわたって広がる現象を捉えた。当該現象について、アポトーシス検出試薬や脂質膜染色試薬を用いた検討を行い、細胞死に伴う脂肪滴の漏出を捉えたものであることを明らかにした。令和5年度は、細胞死判別の次のターゲットとして、創薬研究やドラッグデリバリーで重要な指標とされる、細胞単層の物質透過性の可視化に挑戦した。ヒトの体内には、脳血液関門・小腸・皮膚などに、人体に有害なウイルス・細菌を排除し、栄養素のみを選択的に透過させる細胞のバリア機能(タイトジャンクション)が備わっている。このうち、小腸のモデルであるヒト小腸上皮様細胞Caco-2の細胞単層に形成されるタイトジャンクションについて、細胞状態イメージング技術による観察を行って物質透過性の可視化を試みた。その結果、タイトジャンクションの形成過程で物質透過性が低下したことを示す経上皮電気抵抗(TEER)の変化とこれに対応した明確なコントラスト変化を捉えることに成功した。さらに、タイトジャンクションを開く作用のある薬剤としてカプリン酸ナトリウムを投与したところ、タイトジャンクションが局所的に開き、物質透過性が30分ほど上昇したのちに元に戻る様子を捉えることに成功した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究2年目にして、本研究の細胞状態イメージング技術のアプリケーションとして、創薬研究の指標とされる物質透過性イメージングが可能なことを実証できたことは非常に有意義である。当該アプリケーションでの掘り下げにより、研究に広がりが出ることが期待できる。

Strategy for Future Research Activity

令和6年度は、令和5年度の成果を掘り下げ、創傷や腫瘍等の不均一性をもつ細胞単層膜のタイトジャンクションの動態を観察する。これにより、創傷の回復過程や腫瘍細胞周辺の生体バリア機能を明らかにし、当該手法の実応用に向けた優位性を示す。

Report

(2 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • Research Products

    (18 results)

All 2024 2023 2022 Other

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 2 results) Presentation (9 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results) Remarks (3 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] Visualization of invisible cell-death sign by electric-double-layer modulation2023

    • Author(s)
      Tsutsumi Jun'ya、Kurosu Jun、Kanai Kaname、Uchida Kingo、Morishita Kana、Sumaru Kimio
    • Journal Title

      Biosensors and Bioelectronics: X

      Volume: 14 Pages: 100390-100390

    • DOI

      10.1016/j.biosx.2023.100390

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Label-free visualization of nano-thick biomolecular binding by electric-double-layer modulation2023

    • Author(s)
      Kurosu Jun、Kanai Kaname、Tsutsumi Jun’ya
    • Journal Title

      Sensors and Actuators B: Chemical

      Volume: 382 Pages: 133548-133548

    • DOI

      10.1016/j.snb.2023.133548

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Highly stable and isomorphic donor-acceptor stacking in a family of n-type organic semiconductors of BTBT-TCNQ derivatives2022

    • Author(s)
      Matsuoka Satoshi、Ogawa Kazuma、Ono Ryota、Nikaido Kiyoshi、Inoue Satoru、Higashino Toshiki、Tanaka Mutsuo、Tsutsumi Jun'ya、Kondo Ryusuke、Kumai Reiji、Tsuzuki Seiji、Arai Shunto、Hasegawa Tatsuo
    • Journal Title

      Journal of Materials Chemistry C

      Volume: 10 Issue: 43 Pages: 16471-16479

    • DOI

      10.1039/d2tc03634g

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Growth and characterization of melem hydrate crystals with a hydrogen-bonded heptazine framework2022

    • Author(s)
      Dai Tomonori、Kiuchi Hiroki、Minamide Hiroki、Miyake Yuto、Inoki Hiroya、Sonoda Yoriko、Tsutsumi Jun'ya、Kanai Kaname
    • Journal Title

      Physical Chemistry Chemical Physics

      Volume: 24 Issue: 22 Pages: 13922-13934

    • DOI

      10.1039/d2cp00691j

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      2022 Annual Research Report
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  • [Journal Article] Mechanism of high photoluminescence quantum yield of melem2022

    • Author(s)
      Kiuchi Hiroki、Sonoda Yoriko、Miyake Yuto、Kobayashi Fumiya、Tsutsumi Jun’ya、Tadokoro Makoto、Kanai Kaname
    • Journal Title

      Physical Chemistry Chemical Physics

      Volume: 24 Issue: 38 Pages: 23602-23611

    • DOI

      10.1039/d2cp03693b

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      須波 圭史,堀内 佐智雄,石橋章司,堤 潤也
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      須波 圭史,堀内 佐智雄,石橋章司,堤 潤也
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      第71回応用物理学会春季学術講演会
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      須波 圭史,堀内 佐智雄,堤 潤也
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      日本物理学会第78回年次大会
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  • [Presentation] LABEL-FREE VISUALIZATION OF BIOMOLECULAR BINDING BY ELECTRIC-DOUBLE-LAYER MODULATION IMAGING2023

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      堤 潤也,黒須 淳,金井 要
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      14th International Conference Conference on Optical Probes of Organic and Hybrid Semiconductors (OP2023)
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    • Int'l Joint Research
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      須波 圭史,堀内 佐智雄,堤 潤也
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      第84回応用物理学会秋季学術講演会
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  • [Presentation] 電気二重層変調イメージング法を用いたヒト小腸上皮様細胞のタイトジャンクション形成過程の観察2023

    • Author(s)
      黒須 淳,金井 要,森下 加奈,須丸 公雄,堤 潤也
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会
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      宮本 樹,松岡 悟志,原田 潤,堤 潤也,荒井 俊人,井上 悟,長谷川 達生
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      第83回応用物理学会秋季学術講演会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 近紫外発光材料Melem の発光機構の解明2022

    • Author(s)
      木内 大貴,園田 与理子,三宅 優斗,小林 文也,堤 潤也,佐藤 友哉,田所 誠,金井 要
    • Organizer
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
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      2022 Annual Research Report
  • [Remarks] メゾスコピック材料グループ ホームページ

    • URL

      https://unit.aist.go.jp/riaep/meso-matg/

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      2023 Annual Research Report 2022 Annual Research Report
  • [Remarks] 電子光基礎技術研究部門 ホームページ

    • URL

      https://unit.aist.go.jp/riaep/index.html

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  • [Remarks] 電子光基礎技術研究部門 ホームページ

    • URL

      https://unit.aist.go.jp/riaep/

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      2022 Annual Research Report
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 細胞観察方法及びその装置2023

    • Inventor(s)
      堤 潤也,黒須 淳,須丸 公雄
    • Industrial Property Rights Holder
      国立研究開発法人産業技術総合研究所
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2023-143290
    • Filing Date
      2023
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      2023 Annual Research Report

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Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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