Development of a quantitative evaluation method for multi-molecular crowding biosystem in cell nuclei and cytoplasm

• Project Area: Chemical Approaches for Miscellaneous / Crowding Live Systems
• Project/Area Number: 20H04714
• 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: Kyushu University
• Principal Investigator: 加地 範匡 九州大学, 工学研究院, 教授 (90402479)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥10,010,000 (Direct Cost: ¥7,700,000、Indirect Cost: ¥2,310,000); Fiscal Year 2021: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2020: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000)
• Keywords: 細胞 / 細胞核 / 分子夾雑 / マイクロ流体デバイス / 細胞質 / 定量評価 / バイオデバイス

Outline of Research at the Start

細胞内は、分子クラウディング状態とよばれる高分子が300-400 mg/mLという高濃度で存在する状態にあり、タンパク質間やタンパク質・DNA間での相互作用における熱力学的状態や反応速度は、希薄溶液であるin vitroにおける状態とは大きく異なることが知られている。本研究では、細胞が細胞核よりも狭い数μmの間隙を移動中、細胞核膜が破裂して細胞核内包物が細胞質に放出される現象を利用して、細胞核内と細胞質内の分子夾雑環境の差異を定量的に評価する方法・デバイスを構築する。

Outline of Annual Research Achievements

真核細胞の細胞核内は、ヘテロクロマチンのように酵素反応のために酵素が侵入するのを妨げられたり、光の進行をも阻害されたりするほど超高密度の領域が存在している。このような分子クラウディング環境の内でも密度の局在分布があることは周知の事実であったが、これを時空間的に定量的に扱い、生体分子相互作用解析結果などへ適用した例はない。これまでの「均一な」分子夾雑環境からさらに踏み込んで分子夾雑の生命化学を理解するためには、「不均一な」分子夾雑環境を定量的に計測する方法論が必要不可欠である。そこで本研究では、細胞が細胞核よりも狭い数μmの間隙を移動中、細胞核膜が破裂して細胞核内包物が細胞質に放出される現象を利用して、細胞核内と細胞質内の分子夾雑環境の差異を定量的に評価する方法・デバイスを構築することを目的とした。
本年度は、細胞が狭窄部分を通過する際に破裂した細胞核が自己修復される前に細胞を回収する方法を検討するとともに、細胞核内包物と細胞質内包物が混ざった状態の細胞質成分をナノワイヤなどの極微細構造で取り出す方法を検討し、細胞核内の情報ができるだけ反映された状態で酵素活性の測定系へと持っていける系を構築してきた。その結果、単一細胞・単一細胞核レベルで細胞を解析するためのデバイスフォーマットの作製に成功するとともに、狭窄部分での細胞通過時間が細胞核の状態に大きく依存すること、また、細胞破裂に伴って細胞質内包物の多くがデバイス表面に吸着されることを明かとした。これらの研究成果により、細胞核内と細胞質内の分子夾雑環境を理解するための基盤技術を構築できた。

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。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Mansoura University(エジプト)
• [Journal Article] Microchip Immunoassays for Monitoring Renal Function: Rapid, Low-Cost, and Highly Sensitive Quantification of Urinary Biomarkers of Diabetic Nephropathy (2021)
  • Author(s): Kasama Toshihiro、Sun Miaomiao、Kaji Noritada、Akiyama Shin’ichi、Yuzawa Yukio、Tokeshi Manabu、Matsuo Seiichi、Baba Yoshinobu
  • Journal Title: Micromachines Volume: 12 Issue: 11 Pages: 1353-1353
  • DOI: 10.3390/mi12111353
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Label-Free Cancer Stem-like Cell Assay Conducted at a Single Cell Level Using Microfluidic Mechanotyping Devices (2021)
  • Author(s): Terada Miyu、Ide Sachiko、Naito Toyohiro、Kimura Niko、Matsusaki Michiya、Kaji Noritada
  • Journal Title: Analytical Chemistry Volume: 93 Issue: 43 Pages: 14409-14416
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.1c02316
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Molecular profiling of extracellular vesicles via charge-based capture using oxide nanowire microfluidics (2021)
  • Author(s): Yasui Takao、Paisrisarn Piyawan、Yanagida Takeshi、Konakade Yuki、Nakamura Yuta、Nagashima Kazuki、Musa Marina、Thiodorus Ivan Adiyasa、Takahashi Hiromi、Naganawa Tsuyoshi、Shimada Taisuke、Kaji Noritada、Ochiya Takahiro、Kawai Tomoji、Baba Yoshinobu
  • Journal Title: Biosensors and Bioelectronics Volume: 194 Pages: 113589-113589
  • DOI: 10.1016/j.bios.2021.113589
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Microheater-integrated zinc oxide nanowire microfluidic device for hybridization-based detection of target single-stranded DNA (2021)
  • Author(s): Takahashi Hiromi、Yasui Takao、Kashida Hiromu、Makino Koki、Shinjo Keiko、Liu Quanli、Shimada Taisuke、Rahong Sakon、Kaji Noritada、Asanuma Hiroyuki、Baba Yoshinobu
  • Journal Title: Nanotechnology Volume: 32 Issue: 25 Pages: 255301-255301
  • DOI: 10.1088/1361-6528/abef2c
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Rapid Discrimination of Extracellular Vesicles by Shape Distribution Analysis (2021)
  • Author(s): Ryuzaki Sou、Yasui Takao、Tsutsui Makusu、Yokota Kazumichi、Komoto Yuki、Paisrisarn Piyawan、Kaji Noritada、Ito Daisuke、Tamada Kaoru、Ochiya Takahiro、Taniguchi Masateru、Baba Yoshinobu、Kawai Tomoji
  • Journal Title: Analytical Chemistry Volume: 93 Issue: 18 Pages: 7037-7044
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.1c00258
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Microfluidic fast chiral separation of baclofen and phenylalanine enantiomers based on cyclodextrin-electrokinetic chromatography (2021)
  • Author(s): Zeid Abdallah M.、Nasr Jenny Jeehan M.、Belal Fathalla、Walash Mohamed、Kaji Noritada、Baba Yoshinobu
  • Journal Title: Microchemical Journal Volume: 160 Pages: 105770-105770
  • DOI: 10.1016/j.microc.2020.105770
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Determination of three antiepileptic drugs in pharmaceutical formulations using microfluidic chips coupled with light-emitting diode induced fluorescence detection (2021)
  • Author(s): Zeid Abdallah M.、Nasr Jenny Jeehan M.、Belal Fathalla、Walash Mohamed I.、Baba Yoshinobu、Kaji Noritada
  • Journal Title: Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy Volume: 246 Pages: 119021-119021
  • DOI: 10.1016/j.saa.2020.119021
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Analysis and Survey of PM_2.5 from a Biological Viewpoint at Kyushu University Ito Campus (2020)
  • Author(s): MIURA Karin、IDE Sachiko、NAITO Toyohiro、SHIMADA Taisuke、YASUI Takao、BABA Yoshinobu、KAJI Noritada
  • Journal Title: BUNSEKI KAGAKU Volume: 69 Issue: 12 Pages: 741-746
  • DOI: 10.2116/bunsekikagaku.69.741
  • NAID: 130008021451
  • ISSN: 0525-1931
  • Year and Date: 2020-12-05
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of an immuno-wall device for the rapid and sensitive detection of EGFR mutations in tumor tissues resected from lung cancer patients (2020)
  • Author(s): Yogo Naoyuki、Hase Tetsunari、Kasama Toshihiro、Nishiyama Keine、Ozawa Naoya、Hatta Takahiro、Shibata Hirofumi、Sato Mitsuo、Komeda Kazuki、Kawabe Nozomi、Matsuoka Kohei、Chen-Yoshikawa Toyofumi Fengshi、Kaji Noritada、Tokeshi Manabu、Baba Yoshinobu、Hasegawa Yoshinori
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 15 Issue: 11 Pages: 0241422-0241422
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0241422
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Observation of Ethanol-Induced Condensation and Decondensation Processes at a Single-DNA Molecular Level in Microfluidic Devices Equipped with a Rapid Solution Exchange System (2020)
  • Author(s): Suzuki Hiroshi、Fujiyoshi Kentaro、Kaji Noritada、Tokeshi Manabu、Baba Yoshinobu
  • Journal Title: Analytical Chemistry Volume: 92 Issue: 13 Pages: 9132-9137
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.0c01417
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mechanical Rupture-Based Antibacterial and Cell-Compatible ZnO/SiO2 Nanowire Structures Formed by Bottom-Up Approaches (2020)
  • Author(s): Shimada Taisuke、Yasui Takao、Yonese Akihiro、Yanagida Takeshi、Kaji Noritada、Kanai Masaki、Nagashima Kazuki、Kawai Tomoji、Baba Yoshinobu
  • Journal Title: Micromachines Volume: 11 Issue: 6 Pages: 610-610
  • DOI: 10.3390/mi11060610
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] マイクロ流体デバイスによる単一細菌・単一細胞の電気的センシング技術 (2020)
  • Author(s): 加地範匡
  • Journal Title: 応用物理学会 有機分子・バイオエレクトロニクス分科会 会誌 Volume: 31 Pages: 243-248
• [Presentation] Circulating tumor cell (CTC) separation by microfluidic palpation devices (2021)
  • Author(s): N. Kaji
  • Organizer: PACIFICHEM2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Single cell palpation device for a novel non-labeling and non-destructive cell analytical technique (2021)
  • Author(s): N. Kaji
  • Organizer: PACIFICHEM2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Continuous separation and modification of extracellular vesicles in micro and nanofluidic devices (2021)
  • Author(s): N. Kaji
  • Organizer: PACIFICHEM2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Microfluidic methodologies for production of small-sized various artificial exosomes (2021)
  • Author(s): N. Kimura, T. Nomiyama, T. Naito, M. Maeki, M. Tokeshi, N. Kaji
  • Organizer: μTAS 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Microwell array devices for phospholipids imaging in single cells by scanning prove electrospray ionization mass spectrometry (2021)
  • Author(s): T. Ito, T. Naito, H. Terada, Y. Otsuka, N. Kimura, N. Kaji
  • Organizer: μTAS 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of a micro-electroporation system for high throughput production of anticancer drug-loaded exosomal nanomedicines (2021)
  • Author(s): K. Fujita, N. Kimura, T. Naito, N. Kaji
  • Organizer: μTAS 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Analyzing particulate matters via surfactant-assisted microfluidic ionic current sensing with machine learning-driven idntification (2021)
  • Author(s): K. Fujino, T. Shimada, T. Yasui, K. Nagashima, T. Yanagida, N. Kaji, Y. Baba
  • Organizer: μTAS 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A single cell analysis technique on a chip for cancer research (2021)
  • Author(s): N. Kaji
  • Organizer: China-Japan-Korea Scientific Instrument Development Forum (The 23rd Annual Meeting of the Chinese Association of Science and Technology)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] A single cell mechanical assay on a chip (2021)
  • Author(s): N. Kaji
  • Organizer: e-MSB 2021 (37th International Symposium on Microscale Separations and Bioanalysis)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] スポンジモノリスカラムを用いた細胞分離法の開発 (2021)
  • Author(s): 辻 健吾・内藤 豊裕・木村 笑・久保 拓也・大塚 浩二・加地 範匡
  • Organizer: 化学とマイクロ・ナノシステム学会第44回研究会（CHEMINAS44）
• [Presentation] PDMSと細胞の接着特性を利用した細胞と細菌の共培養環境構築 (2021)
  • Author(s): 一番ヶ瀬 史奈・内藤 豊裕・木村 笑・加地 範匡
  • Organizer: 化学とマイクロ・ナノシステム学会第44回研究会（CHEMINAS44）
• [Presentation] オンチップ単一細胞センシング (2021)
  • Author(s): 加地範匡
  • Organizer: CHEMINAS44, Future Technologies from Himeji 合同招待セッション
• [Presentation] マイクロ流体デバイスを用いた単一細胞解析アプローチ (2021)
  • Author(s): 加地範匡
  • Organizer: ナノ・マイクロ化学分析研究懇談会、日本分析化学会第70年会
• [Presentation] 単一細胞MSイメージングのためのマイクロウェルの構築 (2021)
  • Author(s): 伊藤 駿宏・内藤 豊裕・寺田 光・大塚 洋一・加地 範匡
  • Organizer: 第81回分析化学討論会（日本分析化学会）
• [Presentation] マイクロ・ナノバイオテクノロジーによる単一分子・単一細菌・単一細胞解析 (2020)
  • Author(s): 加地範匡
  • Organizer: 徳島大学大学院 医歯薬学研究部・BRIGHT合同公開シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 単一細菌・単一細胞の電気的センシング技術の開発 (2020)
  • Author(s): 加地範匡
  • Organizer: 電気化学会電気化学セミナーC, オンライン
  • Invited
• [Presentation] 単一細胞解析デバイスの開発 (2020)
  • Author(s): 加地範匡
  • Organizer: 日本分析化学会 第69年会
  • Invited
• [Presentation] 非標識・非破壊単一細胞分析法の開発 (2020)
  • Author(s): 加地範匡
  • Organizer: 分析化学討論会
  • Invited
• [Book] AI・ナノ・量子による超高感度・迅速バイオセンシング (2021)
  • Author(s): 馬場嘉信、柳田 剛、加地範匡
  • Total Pages: 244
  • Publisher: シーエムシー出版
  • ISBN: 4781316093
• [Remarks] 加地研究室ホームページ
  • URL: https://sites.google.com/view/kaji-research-group/home?authuser=0