High-speed optical collection of exosomes using gold nanoparticles and its application to rapid diagnosis of cancer

• Project Area: Nano-Material Manipulation and Structural Order Control with Optical Forces
• Project/Area Number: 19H04675
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: 金田 隆 岡山大学, 自然科学研究科, 教授 (20243909)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥9,230,000 (Direct Cost: ¥7,100,000、Indirect Cost: ¥2,130,000); Fiscal Year 2020: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2019: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
• Keywords: エクソソーム / 光圧 / 金ナノ粒子 / キャピラリー電気泳動 / イムノアッセイ / CD63 / がん診断 / がん細胞 / 捕集 / タンパク質 / 電気泳動

Outline of Research at the Start

エクソソームは細胞から放出される直径30～100 nmの膜小胞体であり、細胞間のコミュニケーション、がん転移に関連し、がんのバイオマーカーとしての利用やその機能解明が期待されている。本研究ではレーザー光により発生する光圧を利用して、従来法より迅速、簡便にエクソソームを捕集濃縮する方法、並びに捕集したエクソソームを化学計測する新規手法を開発し、早期がん診断法への応用に展開する。金ナノ粒子による捕集速度短縮の機構解明、キャピラリー電気泳動によるエクソソーム内のタンパク質計測法、並びに選択的なエクソソーム捕集法を開発する。

Outline of Annual Research Achievements

まず、前年度の研究において課題となった抗体とエクソソームとの反応性について検討した。前年度の研究結果から、エクソソームを溶解するために用いていた界面活性剤が抗体を不活性化することがわかった。したがって、界面活性剤を用いずにエクソソームと蛍光標識抗体を反応させる方法について検討した。エクソソームを界面活性剤により溶解させずに、蛍光標識抗体と反応させると、蛍光標識抗体は変性せずにエクソソームに結合することが明らかとなった。この結果に基づき、エクソソームを過剰の蛍光標識抗体と反応させた後に、溶液からエクソソームを除去して遊離の蛍光標識抗体を測定することで、エクソソームに結合した蛍光標識抗体量を測定できることを見出した。この方法によりエクソソーム上の目的タンパク質の量を測定することに成功した。次いで、キャピラリー上にエクソソームを捕集し、回収するために、フロー系でエクソソームを捕集するシステムを構築した。角型のキャピラリーにエクソソーム懸濁液を流し、キャピラリー表面にレーザー光を集光することで、光圧によるエクソソームの捕集を実現した。このとき、キャピラリー内壁が正電荷をもつように表面修飾し、正電荷をもつ金ナノ粒子を添加することで、捕集効率を向上させることができた。捕集したエクソソームを回収し、開発したエクソソーム計測法により測定することで、細胞培養液中のエクソソームを捕集、濃縮、回収、計測することに成功した。捕集時間を14分としたとき、濃縮倍率は正電荷をもつ金ナノ粒子を用いた場合には150倍、抗体で修飾した金ナノ粒子を用いた場合には250倍であり、迅速かつ高倍率なエクソソームの捕集と計測を実現した。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Coalescence of Oil Droplets and Collection of Vesicles by Optical Pressure (2020)
  • Author(s): 谷 夢希，金田 隆
  • Journal Title: BUNSEKI KAGAKU Volume: 69 Issue: 12 Pages: 665-672
  • DOI: 10.2116/bunsekikagaku.69.665
  • NAID: 130008021472
  • ISSN: 0525-1931
  • Year and Date: 2020-12-05
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Direct Counting of Exosomes in a Cell Culture Medium Using Neither Isolation Nor Preconcentration (2020)
  • Author(s): Tatsuya Fujii, Takashi Kaneta
  • Journal Title: Analytica Chimica Acta Volume: 1119 Pages: 35-40
  • DOI: 10.1016/j.aca.2020.04.052
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] On-site analysis of paraquat using a completely portable photometric detector operated with small, rechargeable batteries (2020)
  • Author(s): Sasikarn Seetasang, Takashi Kaneta
  • Journal Title: Analytica Chimica Acta Volume: 1135 Pages: 99-106
  • DOI: 10.1016/j.aca.2020.08.051
  • NAID: 120007144323
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Indirect capillary electrophoresis immunoassay of membrane protein in extracellular vesicles (2020)
  • Author(s): Yumeki Tani, Takashi Kaneta
  • Journal Title: Journal of Chromatography A Volume: 1629 Pages: 461513-461513
  • DOI: 10.1016/j.chroma.2020.461513
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Laser-Induced Fluorometry for Capillary Electrophoresis (2019)
  • Author(s): Takashi Kaneta
  • Journal Title: The Chemical Record Volume: 19 Issue: 2-3 Pages: 452-461
  • DOI: 10.1002/tcr.201800051
  • NAID: 120006733900
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chromatographic Paper-Based Analytical Devices Using an Oxidized Paper Substrate (2019)
  • Author(s): Yuki Hashimoto, Takashi Kaneta
  • Journal Title: Analytical Methods Volume: 11 Issue: 2 Pages: 179-184
  • DOI: 10.1039/c8ay02298d
  • NAID: 120006769745
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Enhancement of optical force acting on vesicles via the binding of gold nanoparticles (2019)
  • Author(s): Tani Yumeki、Kaneta Takashi
  • Journal Title: Royal Society Open Science Volume: 6 Issue: 5 Pages: 190293-190293
  • DOI: 10.1098/rsos.190293
  • NAID: 120006733901
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development of a miniaturized photometer with paired emitter-detector light-emitting diodes for investigating thiocyanate levels in the saliva of smokers and non-smokers (2019)
  • Author(s): Seetasang Sasikarn、Kaneta Takashi
  • Journal Title: Talanta Volume: 204 Pages: 586-591
  • DOI: 10.1016/j.talanta.2019.06.024
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chromium speciation using paper-based analytical devices by direct determination and with electromembrane microextraction (2019)
  • Author(s): Alahmad Waleed、Varanusupakul Puttaruksa、Kaneta Takashi、Varanusupakul Pakorn
  • Journal Title: Analytica Chimica Acta Volume: 1085 Pages: 98-106
  • DOI: 10.1016/j.aca.2019.08.002
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Characterization of Pieces of Paper That Form Reagent Containers for Use as Portable Analytical Devices (2019)
  • Author(s): Buking Supatana、Suedomi Yusuke、Nacapricha Duangjai、Kaneta Takashi
  • Journal Title: ACS Omega Volume: 4 Issue: 12 Pages: 15249-15254
  • DOI: 10.1021/acsomega.9b02226
  • NAID: 120006733899
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Long-term stabilization of hydrogen peroxide by poly(vinyl alcohol) on paper-based analytical devices (2019)
  • Author(s): Boonpoempoon Tuchpongpuch、Wonsawat Wanida、Kaneta Takashi
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 9 Issue: 1 Pages: 12951-12951
  • DOI: 10.1038/s41598-019-49393-6
  • NAID: 120006777513
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Microfluidic paper-based analytical devices with instrument-free detection and miniaturized portable detectors (2018)
  • Author(s): Kaneta Takashi、Alahmad Waleed、Varanusupakul Pakorn
  • Journal Title: Applied Spectroscopy Reviews Volume: XX Issue: 2 Pages: 117-141
  • DOI: 10.1080/05704928.2018.1457045
  • NAID: 120006775069
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of analytical methods for on-site analysis with miniaturized instruments (2020)
  • Author(s): Takashi Kaneta
  • Organizer: The BK21 Plus Symposium on Nanobio Materials and Advanced Analytical Techniques
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 光圧を用いたナノ小胞捕集 (2020)
  • Author(s): 金田 隆， 谷 夢希
  • Organizer: 第80回分析化学討論会
  • Invited
• [Presentation] 光圧を用いたフロー系での細胞外小胞の捕集 (2020)
  • Author(s): 谷 夢希，金田 隆
  • Organizer: 第80回分析化学討論会
• [Presentation] Development of a completely portable photometric detector consisting of paired light-emitter detector diodes for the determination of paraquat (2020)
  • Author(s): Seetasang, Sasikarn，金田 隆
  • Organizer: 第80回分析化学討論会
• [Presentation] Paper-based analytical devices for point-of-care tasting with instrument-free detection (2020)
  • Author(s): Takashi Kaneta
  • Organizer: 第59回日本生体医工学会大会
  • Invited
• [Presentation] Novel paper-based analytical devices with distance readouts (2019)
  • Author(s): Takashi Kaneta, Yuhi Shimada, Yuki Hashimoto
  • Organizer: PACCON 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Paper-Based Analytical Devices for On-Site Chemical Analyses (2019)
  • Author(s): Takashi Kaneta
  • Organizer: The BK21 Plus Symposium on Nanobio Materials and Advanced Analytical Techniques
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] キャピラリー電気泳動によるエキソソーム膜タンパク質CD63の定量 (2019)
  • Author(s): 谷 夢希，Chan Ki Chun Romain，金田 隆
  • Organizer: 第79回分析化学討論会
• [Presentation] Development of a miniaturized photometric detector for the investigation of thiocyanate in smoker and non-smoker (2019)
  • Author(s): Sasikarn Seetasan，金田 隆
  • Organizer: 第79回分析化学討論会
• [Presentation] 紙担持滴定剤を用いた小型電気伝導度滴定法の研究 (2019)
  • Author(s): 末冨 佑典，Supatana Buking, Duangjai Nacapricha，金田 隆
  • Organizer: 第79回分析化学討論会
• [Presentation] 鋳型縮合によるペプチドアプタマーの創製 (2019)
  • Author(s): 山下 奈祐，金田 隆
  • Organizer: 第79回分析化学討論会
• [Presentation] ペーパー分析デバイス上でのポリビニルアルコールによる過酸化水素の安定化 (2019)
  • Author(s): 金田 隆，Tuchpongpuch Boonpoempoon, Wanida Wonsawat
  • Organizer: 第79回分析化学討論会
• [Presentation] オンサイト分析を目指したペーパー分析デバイスの安定化 (2019)
  • Author(s): 金田 隆
  • Organizer: 第26回クロマトグラフィーシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Direct counting of exosomes in a culture medium with laser-induced fluorescence (2019)
  • Author(s): Takashi Kaneta, Tatsuya Fujii
  • Organizer: 26th International Symposium on Electroseparation and Liquid Phase-Separation Techniques
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Determination of Exosomal Membrane Proteins CD63 by Capillary Electrophoresis (2019)
  • Author(s): Yumeki Tani, Chan Ki Chun Romain，Takashi Kaneta
  • Organizer: 26th International Symposium on Electroseparation and Liquid Phase-Separation Techniques
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Miniaturized analytical devices for on-site analysis (2019)
  • Author(s): Takashi Kaneta
  • Organizer: Three in One Program 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 角型キャピラリーを用いたレーザー励起蛍光検出・単一エキソソーム計数法 (2019)
  • Author(s): 金田 隆，藤井 達也
  • Organizer: 日本分析化学会第68年会
• [Presentation] コンピュータ制御フロー化学分析による多成分測定法の開発：測定法の特徴と利点 (2019)
  • Author(s): Hakim, Lukman， 樋口 慶郎，本水 昌二，金田 隆，鈴木 保任
  • Organizer: 日本分析化学会第68年会
• [Presentation] レーザー励起蛍光法によるエキソソームの高感度検出 (2019)
  • Author(s): 金田 隆，藤井 達也
  • Organizer: 第39回キャピラリー電気泳動シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Indirect Determination of Exosomal Membrane Proteins CD63 by Capillary Electrophoresis (2019)
  • Author(s): Yumeki Tani, Chan Ki Chun Romain, Takashi Kaneta
  • Organizer: 49th International Symposium on High Performance Liquid Phase Separations and Related Techniques
  • Int'l Joint Research