半導体センシング技術を用いたインスリン放出の非標識定量イメージング法の開発

• Project/Area Number: 26460294
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: General physiology
• Research Institution: Toyohashi University of Technology
• Principal Investigator: 櫻井 孝司 豊橋技術科学大学, エレクトロニクス先端融合研究所, 特任准教授 (50283362)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2016: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2015: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2014: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: インスリン / 抗体 / 光ファイバ / フォトマル

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、膵β細胞からのインスリン放出を低侵襲・高時空間性能で計測する新規の定量イメージング手法を光半導体技術と分子生物学手法の融合で開発することを目的とした。26年度は、インスリンセンサのコア部を成す光化学イメージ素子の構築と計測原理確認、27年度は構築したセンサの時空間性能向上と性能検証を行った。
イメージ素子は数万画素（画素ピッチ約3.3ミクロン）の素線から成る光ファイバ束を採用した。素材は合成石英またはプラスチックで比較した。素子の片側端面に、抗インスリン抗体または酵素標識抗体を設置した。抗原抗体反応の確認は、酵素反応依存的に発生する微弱光をファイバで導波させた後、フォトマルチプライヤで検出することで実施した。抗体配置側のイメージ素子端面を含む反応チャンバ内へインスリン含有液を添加した後で、光量をフォトン数として計測したところ、抗原量に依存した増大を確認できたことで、計測原理が確認できた。次に増大したフォトン数の１分間での平均値とインスリン濃度から相関性を解析した結果、フォトマルチプライヤのノイズレベル（50 cpm）に相当する最小検出限界は10(-9)M以下だった。この最少検出限界は、イメージ素子の素材と長さで変化した。光ファイバ長を1000 mmとした場合、最小検出限界（感度）は、合成石英製がプラスチック製より３倍以上良好で、直径0.6ミリ角の計測エリアで、毎秒３フレーム以上、連続1時間以上計測を実施できた。プラスチック製ファイバ長を500 mm以下まで短縮したところ、検出感度を改善できた。また、画素数（5万本）と計測エリア（1ミリ）が向上でき、ファイバ製・多画素・短ファイバ長とすることで、広視野・高感度化への見通しが立った。以上の結果より、細胞外へ放出されたインスリンを検出する光化学イメージ素子の構築、原理確認ならびに計測が実証できた。

Research Products

• [Journal Article] Plastic fiber optics for micro-imaging of fluorescence signals in living cells (2015)
  • Author(s): Sakurai T, Natsume M, Koida K
  • Journal Title: Proc. SPIE Volume: 9328 Pages: 93281N-93281N
  • DOI: 10.1117/12.2076928
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Real-time monitoring of inhibitory effects on glutamate-induced neurotransmitter release using a potassium ion image sensor (2015)
  • Author(s): Kono A, Sakurai T, Hattori T, Okumura K, Ishida M & Sawada K
  • Journal Title: AIP Conf. Proc Volume: 1649 Pages: 47-47
  • DOI: 10.1063/1.4913544
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Label Free Bio Image Sensor For Real Time Monitoring Of Potassium Ion Released From Hippocampal Slices (2014)
  • Author(s): Akiteru Kono, Takashi Sakurai, Toshiaki Hattori, Koichi Okumura, Ishida Makoto, Kazuaki Sawada
  • Journal Title: Sensor and Actuators B,Chemical, In Press, Accepted Manuscript, Available online 24 April 2014 Volume: in press Pages: 439-443
  • DOI: 10.1016/j.snb.2014.04.019
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] プラスチック光ファイババンドルを用いた細胞の蛍光イメージング (2015)
  • Author(s): 櫻井孝司、鯉田孝和、夏目三男
  • Organizer: 第62回応用物理学会春季学術講習会
  • Place of Presentation: 東海大学湘南キャンパス
  • Year and Date: 2015-03-11 – 2015-03-15
• [Presentation] Plastic fiber optics for micro-imaging of fluorescence signals in living cells (2015)
  • Author(s): Sakurai T & Koida K
  • Organizer: Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｗｅｓｔ ２０１５
  • Place of Presentation: 米国サンフランシスコ
  • Year and Date: 2015-02-07 – 2015-02-12
• [Presentation] 高密度広視野型バンドル光ファイバによる細胞機能解析 (2014)
  • Author(s): 櫻井孝司、鯉田孝和、夏目三男、秋山喬
  • Organizer: 日本光学会（OPJ2014）
  • Place of Presentation: 筑波大学文京キャンパス
  • Year and Date: 2014-11-05 – 2014-11-07
• [Presentation] 高密度型光ファイバ束による細胞応答イメージング (2014)
  • Author(s): 櫻井孝司、鯉田孝和、夏目三男、秋山喬
  • Organizer: 第23回日本バイオイメージング学会
  • Place of Presentation: 大阪大学銀杏会館
  • Year and Date: 2014-09-04 – 2014-09-06