Development of single cell handling and manipulation tools for integrated bio-metal science

• Project Area: Integrated Biometal Science: Research to Explore Dynamics of Metals in Cellular System
• Project/Area Number: 20H05520
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Tokyo University of Pharmacy and Life Science
• Principal Investigator: 梅村 知也 東京薬科大学, 生命科学部, 教授 (10312901)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000); Fiscal Year 2021: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2020: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
• Keywords: メタロミクス / 一細胞分析 / ICP-MS / 微量金属元素

Outline of Research at the Start

生命現象の理解には、1細胞ずつ個別に分析できる装置の開発が不可欠である。ゲノム（遺伝子）やプロテオーム（タンパク質）、メタボローム（代謝物）解析に関しては、1細胞分析が実用段階に入りつつあるが、メタローム（微量金属）に関しては大きく立ち遅れている。本研究では、微細加工技術を駆使して、2種類の単一細胞ハンドリングデバイス（1細胞トラッピングマルチウェルプレートと1細胞配列用マイクロ流体デバイス）を開発し、1細胞メタローム解析の実現を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、誘導結合プラズマ質量分析計（ICP-MS）を基盤とする単一細胞元素分析システムの実用化を意識して、量産型（使い捨て）の1細胞捕捉マルチウェルプレートの開発を進めるとともに、安価なレーザーを搭載した自作のアブレーション装置、及びそれを動かすソフトウェアの開発に取り組んだ。
1) 紫外線硬化樹脂を用いた量産型1細胞捕捉マルチウェルプレートの開発と評価.
半導体加工技術に基づくシリコン製のマルチウェルプレートの作製には手間とコストがかかる。そこで、シリコン製の原型を基にして、まずは常温硬化型シリコーンゴムを用いて転写鋳型を作製し、この鋳型に紫外線硬化樹脂を流し込み、その上にスライドガラスを被せてUV (48 W、365 - 405 nm LED)光を照射して硬化させた。こうして作製した量産型のマルチウェルプレートが、実際の単一細胞分析に使用可能かをヘマトコッカス（単細胞性緑藻の一種）の分析を通して評価したところ、多くの金属元素において、シリコン製のプレートと遜色のないデータを提供することを確認した。
2) 単一細胞分析用レーザーアブレーション装置の開発.
1細胞ずつレーザー光を逐次照射する専用のアブレーション装置とその制御ソフトウェアを試作した。本装置は、PC制御により試料の位置調整が可能なXYステージ、細胞を載せたプレートを収容する樹脂製のチャンバー、ガルバノスキャナーを備えた青色レーザー、及びアルゴンプラズマへと微細化した細胞を輸送する試料導入系の各ユニットからなる。ここに、デジタルカメラを組み込むことで、試料とレーザー照射スポットの観察・記録も可能とした。これにより、細胞情報（サイズ等の確認）を収集しながら、マルチウェルプレート上の細胞の元素データを1つずつ取得可能とした。

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

• [Journal Article] Development of a surface plasmon resonance sensor using an optical fiber prepared by electroless displacement gold plating and its application to immunoassay (2022)
  • Author(s): Shoji Atsushi、Nakajima Miyu、Morioka Kazuhiro、Fujimori Eiji、Umemura Tomonari、Yanagida Akio、Hemmi Akihide、Uchiyama Katsumi、Nakajima Hizuru
  • Journal Title: Talanta Volume: 240 Pages: 123162-123162
  • DOI: 10.1016/j.talanta.2021.123162
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of a fluorescence microplate reader using an organic photodiode array with a large light receiving area (2022)
  • Author(s): Morioka Kazuhiro、Osashima Moeko、Azuma Nao、Qu Kuizhi、Hemmi Akihide、Shoji Atsushi、Murakami Hiroya、Teshima Norio、Umemura Tomonari、Uchiyama Katsumi、Nakajima Hizuru
  • Journal Title: Talanta Volume: 238 Pages: 122994-122994
  • DOI: 10.1016/j.talanta.2021.122994
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Preparation of Metal-Immobilized Methacrylate-Based Monolithic Columns for Flow-Through Cross-Coupling Reactions (2021)
  • Author(s): Sabarudin Akhmad、Shu Shin、Yamamoto Kazuhiro、Umemura Tomonari
  • Journal Title: Molecules Volume: 26 Issue: 23 Pages: 7346-7346
  • DOI: 10.3390/molecules26237346
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of an algal cell-attached solid surface culture system for simultaneous wastewater treatment and biomass production (2021)
  • Author(s): Miyauchi Hiroki、Harada Kohei、Suzuki Yoshino、Okada Katsuhiko、Aoki Motohide、Umemura Tomonari、Fujiwara Shoko、Tsuzuki Mikio
  • Journal Title: Algal Research Volume: 58 Pages: 102394-102394
  • DOI: 10.1016/j.algal.2021.102394
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The ER cholesterol sensor SCAP promotes CARTS biogenesis at ER-Golgi membrane contact sites (2021)
  • Author(s): Wakana Yuichi、Hayashi Kaito、Nemoto Takumi、Watanabe Chiaki、Taoka Masato、Angulo-Capel Jessica、Garcia-Parajo Maria F.、Kumata Hidetoshi、Umemura Tomonari、Inoue Hiroki、Arasaki Kohei、Campelo Felix、Tagaya Mitsuo
  • Journal Title: Journal of Cell Biology Volume: 220 Issue: 1 Pages: 3355-3371
  • DOI: 10.1083/jcb.202002150
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Molding-type Solid-phase Extraction Media Glued with Commercially Available Adhesives (2020)
  • Author(s): MIKI Yuta、MURAKAMI Hiroya、IIDA Keisuke、UMEMURA Tomonari、ESAKA Yukihiro、INOUE Yoshinori、TESHIMA Norio
  • Journal Title: Analytical Sciences Volume: 36 Issue: 10 Pages: 1153-1155
  • DOI: 10.2116/analsci.20C012
  • NAID: 130007924983
  • ISSN: 0910-6340, 1348-2246
  • Year and Date: 2020-10-10
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development and Evaluation of HILIC-type Sorbents Modified with Hydrophilic Copolymers for Solid-phase Extraction (2020)
  • Author(s): MURAKAMI Hiroya、SUGIYAMA Takuya、MIKI Yuta、UMEMURA Tomonari、ESAKA Yukihiro、INOUE Yoshinori、TESHIMA Norio
  • Journal Title: Analytical Sciences Volume: 36 Issue: 10 Pages: 1185-1190
  • DOI: 10.2116/analsci.20P084
  • NAID: 130007925062
  • ISSN: 0910-6340, 1348-2246
  • Year and Date: 2020-10-10
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Elimination of interfering molybdenum oxyanion with an anion-exchange monolithic spin tip (AXTip) for precise determination of cadmium in human urine by ICP-MS (2020)
  • Author(s): Kumata Hidetoshi、Morimoto Chika、Horie Akihiro、Tanabe Akane、Fujimori Eiji、Umemura Tomonari
  • Journal Title: Talanta Open Volume: 2 Pages: 100009-100009
  • DOI: 10.1016/j.talo.2020.100009
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Preparation of Horizontal Miniature TLC Developing Chamber for Ultra-thin Layer Chromatography (2020)
  • Author(s): IMAZAKI Ryunosuke、KONDOH Keita、TANI Natsumi、AOKI Motohide、KUMATA Hidetoshi、UCHIDA Tatsuya、NAGANAWA Tsuyoshi、SHIMADA Taisuke、TAGUCHI Yoshihiko、SATO Hiroaki、YASUI Takao、UMEMURA Tomonari
  • Journal Title: BUNSEKI KAGAKU Volume: 69 Issue: 10.11 Pages: 553-558
  • DOI: 10.2116/bunsekikagaku.69.553
  • NAID: 130007927244
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] HPLC with electrochemical detection for determining homogentisic acid and its application to urine from rats fed tyrosine-enriched food (2020)
  • Author(s): Kishi Takuho、Kotani Akira、Umemura Tomonari、Hakamata Hideki
  • Journal Title: Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis Volume: 186 Pages: 113253-113253
  • DOI: 10.1016/j.jpba.2020.113253
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Evaluation of the adsorption properties of nucleobase-modified sorbents for a solid-phase extraction of water-soluble compounds (2020)
  • Author(s): Murakami Hiroya、Omiya Miho、Miki Yuta、Umemura Tomonari、Esaka Yukihiro、Inoue Yoshinori、Teshima Norio
  • Journal Title: Talanta Volume: 217 Pages: 121052-121052
  • DOI: 10.1016/j.talanta.2020.121052
  • Peer Reviewed
• [Presentation] High power pulsed and power modulated microplasma emission source for gas, liquid and micro droplet sample measurement (2021)
  • Author(s): A. Okino, M. Yoshida, M. Yoshida, T. Ohta, M. Aoki, T. Iwai, T. Umemura, K. Chiba
  • Organizer: The 2021 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Candidate calibrating strategies for quantitative analysis by LA-ICP-MS (2021)
  • Author(s): Y. Zhu, T. Umemura, A. Itoh
  • Organizer: The 2021 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 単一細胞メタロミクスの必要性と質量分析装置開発の現状 (2021)
  • Author(s): 沖野晃俊, 吉田真己, 柳井優作, 太田高志, 青木元秀, 梅村知也
  • Organizer: 第69回質量分析総合討論会
  • Invited
• [Presentation] Development of the single cell sampling device for ICP-MS elemental analysis (2021)
  • Author(s): M. Aoki, T. Yasui, Y. Zhu, A. Okino, T. Umemura
  • Organizer: The 2021 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ICP発光・質量分析計を利用した単一細胞元素分析に向けた試料導入アブレーション装置の開発 (2021)
  • Author(s): 青木 元秀, 川口 航平, 東 慶紀, 三浦 僚介, 前本 佑樹, 伊藤 昭博, 安井 隆雄, 沖野 晃俊, 梅村 知也
  • Organizer: 第81回分析化学討論会
• [Presentation] ICP AES/MS simultaneous analysis of single human cells applying high-throughput infrared desolvation system (2021)
  • Author(s): T. Ohta, M. Yoshida, Y. Yanagii, Y. Maemoto, M. Aoki, T. Iwai, T. Umemura, K. Chiba, A. Okino
  • Organizer: The 2021 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 単一細胞内微量元素分析のための誘導結合プラズマ発光／質量同時分析システム (2021)
  • Author(s): 太田 高志, 吉田 真己, 柳井 優作, 末永 祐磨, 前本 佑樹, 青木 元秀, 岩井 貴弘, 梅村 知也, 千葉 光一, 沖野 晃俊
  • Organizer: 第81回分析化学討論会
• [Presentation] 異なる条件の原子励起を連続的に実現するための強度変調マイクロプラズマの生成実験 (2021)
  • Author(s): 清水 祐哉, 石川 雄大, 柳井 優作, 吉田 大輝, 太田 高志, 青木 元秀, 梅村 知也, 沖野 晃俊
  • Organizer: 日本分析化学会第70年会
• [Presentation] 単一ヒト細胞分析用ドロプレット脱溶媒装置の赤外線集光光学系の検討 (2021)
  • Author(s): 太田 高志, 柳井 優作, 清水 祐哉, 末永 祐磨, 前本 佑樹, 青木 元秀, 岩井 貴弘, 梅村 知也, 千葉 光一, 沖野 晃俊
  • Organizer: プラズマ分光分析研究会第113回講演会
• [Presentation] ICP質量/発光分析用ドロップレット脱溶媒単一細胞試料導入装置の開発 (2021)
  • Author(s): 柳井 優作, 清水 祐哉, 太田 高志, 末永 祐磨, 前本 佑樹, 青木 元秀, 梅村 知也, 沖野 晃俊
  • Organizer: プラズマ分光分析研究会第113回講演会
• [Presentation] 1細胞元素分析用シングルセル・ハンドリングデバイスの開発 (2020)
  • Author(s): 梅村知也
  • Organizer: フォーラム 2020 衛生薬学・環境トキシコロジー
  • Invited
• [Presentation] 酸化亜鉛ナノワイヤプレートを用いる超薄層クロマトグラフィー/表面支援LDI-MSシステムの開発 (2020)
  • Author(s): 梅村知也
  • Organizer: 第27回クロマトグラフィーシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 長さ5 μmのナノワイヤを分離場とする超薄層クロマトグラフィーの開発 (2020)
  • Author(s): 梅村知也
  • Organizer: 日本分析化学会第69年会
  • Invited
• [Presentation] ウィンウィンの関係構築に向けて (2020)
  • Author(s): 梅村知也
  • Organizer: 日本分析化学会第69年会付設 ものつくり技術交流会2020
  • Invited
• [Presentation] ICP MS/AES Simultaneous Analysis System for Trace Elements in a Single Human Cell (2020)
  • Author(s): M. Yoshida, T. Ohta, Y. Yanagii, Y. Suenaga, A. Okino, M. Aoki, T. Umemura
  • Organizer: 2020 IEEE International Conference on Plasma Science
• [Presentation] 単一ヒト細胞中の微量元素分析のためのICP発光／質量同時分析装置の開発 (2020)
  • Author(s): 太田高志, 吉田真己, 柳井優作, 末永祐磨, 青木元秀, 岩井貴弘, 梅村知也, 千葉光一, 沖野晃俊
  • Organizer: Consortium of Metal Biosciences 2020 (ConMetal 2020)
• [Presentation] ハイスループット単一細胞分析のための近赤外線脱溶媒ドロプレットICP分析装置の開発 (2020)
  • Author(s): 柳井優作，吉田真己，太田高志，末永祐磨，青木元秀，梅村知也，沖野晃俊
  • Organizer: Consortium of Metal Biosciences 2020 (ConMetal 2020)
• [Presentation] 高スループット単一細胞発光/質量分析のための近赤外線ドロプレット脱溶媒装置の評価 (2020)
  • Author(s): 吉田真己, 太田高志, 柳井優作, 末永祐磨, 青木元秀, 梅村知也, 沖野晃俊
  • Organizer: 2020年度日本分光学会年次講演会
• [Presentation] 単一細胞中の微量元素分析のための赤外線脱溶媒装置の開発 (2020)
  • Author(s): 吉田真己, 末永祐磨, 青木元秀, 岩井貴弘, 梅村知也, 川田善正, 千葉光一, 沖野晃俊
  • Organizer: 日本分析化学会第69年会
• [Presentation] “ICPを利用した単一細胞元素分析に向けた細胞試料導入装置の開発 (2020)
  • Author(s): 青木元秀, 吉田真己, 内海利菜, 西島公佳, 末永祐磨, 梅村知也, 沖野晃俊
  • Organizer: 第80回分析化学討論会
• [Presentation] ハイスループット細胞分析のための赤外線ドロプレット脱溶媒装置の開発 (2020)
  • Author(s): 吉田真己, 吉田真優子, 末永祐磨, 青木元秀, 岩井貴弘, 松本義久, 梅村知也, 川田善正, 千葉光一, 沖野晃俊
  • Organizer: 第80回分析化学討論会
• [Presentation] ICPを利用した単一細胞元素分析に向けた試料導入アブレーション装置の開発 (2020)
  • Author(s): 東 慶紀，青木元秀，河本梨夏，岡部すみれ，西島公佳，内海利菜，安井隆雄，馬場嘉信，朱 彦北，熊田英峰，内田達也，末永祐磨，沖野晃俊，鹿籠康行，梅村知也
  • Organizer: Consortium of Metal Biosciences 2020 (ConMetal 2020)
• [Presentation] ICPを利用した単一細胞元素分析に向けた細胞整列デバイスの開発 (2020)
  • Author(s): 川口航平，青木元秀，河本梨夏，岡部すみれ，西島公佳，内海利菜，安井隆雄，馬場嘉信，朱 彦北，熊田英峰，内田達也，末永祐磨，沖野晃俊，鹿籠康行，梅村知也
  • Organizer: Consortium of Metal Biosciences 2020 (ConMetal 2020)
• [Book] 改訂6版 分析化学データブック (2021)
  • Author(s): 日本分析化学会
  • Total Pages: 260
  • Publisher: 丸善出版
  • ISBN: 9784621306529