イオン応答性電界効果トランジスタによるナノ細胞毒性とナノメディシンの評価

• Project Area: Molecular Science for Nanomedicine
• Project/Area Number: 26107705
• 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: Tokyo Medical and Dental University
• Principal Investigator: 合田 達郎 東京医科歯科大学, 生体材料工学研究所, 助教 (20588347)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000); Fiscal Year 2015: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2014: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
• Keywords: 細胞膜 / 機能性ナノ材料 / 半導体デバイス / 細胞毒性 / ナノメディシン / バイオエレクトロニクス / 細胞

Outline of Annual Research Achievements

細胞の皮膚と例えられる細胞膜は、厚さ6-10nmの脂質二重膜からなる自己組織化分子膜であり、酸素や水分子などは透過するが、電解質や高分子は透過できない半透膜としての性質を有する。細胞膜の破壊は、細胞内外でのイオン分配の解消や、それにともなう膜電位の脱分極、ATPなどエネルギー分子の細胞外漏出を引き起こし、細胞の持つ生命エネルギーを失わせる。そこで、本研究ではイオン応答性電界効果トランジスタ（ISFET）上に直接播種した細胞の脂質二重膜の状態をリアルタイム非侵襲に測定する方法を新たに開発した。本手法は、化合物の作用によって細胞膜上に形成された水素イオンなどの低分子量電解質が透過できる分子サイズの空孔を計測するという、これまでに無い新しい原理に基づく細胞膜障害性測定法である。従来法である赤血球溶血試験結果との比較を行ったところ、高い相関係数（r=0.88）が得られ、ISFET‐細胞によるリアルタイム・非標識な膜障害性の定量化が可能であることが明らかとなった。さらに、本システムではNH4+とH+などサイズの小さい（流体力学半径<0.33 nm）イオンの細胞膜透過を指標にしていることから、溶血試験におけるヘモグロビン（流体力学半径>3.1 nm）の透過が観察できないような微小な空孔形成をも検出することが可能であった。
近年の細胞工学では、遺伝子治療など細胞質に機能性分子を送達する需要が増しており、細胞膜透過ペプチドなどを始めとして、安全かつ高効率に細胞膜を透過するキャリア分子の開発が進められている。機能性キャリア分子の細胞膜透過機構を明らかにするためには高感度な細胞膜障害測定法の開発が必須の要件である。本研究の成果は先進治療にむけた細胞膜微小環境での生体分子動態の理解と、ナノ医療に伴う細胞毒性・治療効果の分子科学を構築し、将来的な医療イノベーションに向けた礎を構築するものである。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] カロリンスカ研究所(スウェーデン)
• [Journal Article] Potentiometric Responses of Ion-Selective Microelectrode with Bovine Serum Albumin Adsorption (2016)
  • Author(s): Tatsuro Goda, Eriko Yamada, Yurika Katayama, Miyuki Tabata, Akira Matsumoto, Yuji Miyahara
  • Journal Title: Biosens. Bioelectron. Volume: 77 Pages: 208-214
  • DOI: 10.1016/j.actbio.2016.02.008
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Potentiometric responses of ion-selective microelectrode with bovine serum albumin adsorption (2016)
  • Author(s): Tatsuro Goda, Eriko Yamada, Yurika Katayama, Miyuki Tabata, Akira Matsumoto, Yuji Miyahara
  • Journal Title: Biosensors and Bioelectronics Volume: 77 Pages: 208-214
  • DOI: 10.1016/j.bios.2015.09.023
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) bearing phosphorylcholine groups for metal-free, antibody-free, and low-impedance biosensors sspecific for C-reactive protein (2015)
  • Author(s): Tatsuro Goda, Masahiro Toya, Akira Matsumoto, Yuji Miyahara
  • Journal Title: ACS Applied Materials and Interfaces Volume: 7 Issue: 49 Pages: 27440-27448
  • DOI: 10.1021/acsami.5b09325
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Dual Aptamer-Immobilized Surfaces for Improved Affinity through Multiple Target Binding in Potentiometric Thrombin Biosensing (2015)
  • Author(s): Tatsuro Goda, Daiki Higashi, Akira Matsumoto, Toru Hoshi, Takashi Sawaguchi, Yuji Miyahara
  • Journal Title: Biosensors and Bioelectronics Volume: 73 Pages: 174-180
  • DOI: 10.1016/j.bios.2015.05.067
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Specific Interaction of Phospholipid Polymer with C-reactive Protein (2015)
  • Author(s): Tatsuro Goda
  • Journal Title: Journal of Photopolymer Science and Technology Volume: 28 Issue: 5 Pages: 715-718
  • DOI: 10.2494/photopolymer.28.715
  • NAID: 130005104289
  • ISSN: 0914-9244, 1349-6336
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] A critical update on 2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine (MPC) polymer science (2015)
  • Author(s): Tatsuro Goda, Kazuhiko Ishihara, Yuuji Miyahara
  • Journal Title: J Appl Polym Sci Volume: 132 Issue: 16 Pages: 41766-41776
  • DOI: 10.1002/app.41766
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Electrical and Electrochemical Monitoring of Nucleic Acid Amplification (2015)
  • Author(s): Tatsuro Goda, Miyuki Tabata, Yuji Miyahara
  • Journal Title: Frontiers in Bioengineering and Biotechnology Volume: 3 Pages: 29-29
  • DOI: 10.3389/fbioe.2015.00029
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Biomimetic Interfaces Reveal Activation Dynamics of C-Reactive Protein in Local Microenvironments (2014)
  • Author(s): Tatsuro Goda, Peter Kjall, Kazuhiko Ishihara, Agneta Richter-Dahlfors, Yuji Miyahara
  • Journal Title: Advanced healthcare Materials Volume: 未定 Issue: 11 Pages: 1733-1738
  • DOI: 10.1002/adhm.201300625
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Label-free detection of C-reactive protein using highly dispersible gold nanoparticles synthesized by reducible biomimetic block copolymers (2014)
  • Author(s): Yasuhiko Iwasaki, Toshihiro Kimura, Masaki Orisaka, Hideya Kawasaki, Tatsuro Goda, Shinichi Yusa
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 未定 Issue: 42 Pages: 5656-5658
  • DOI: 10.1039/c4cc01855a
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Organic bioelectronics create ionic microenvironments mimicking inflammation and infection for elucidating activation dynamics of C-reactive protein (2015)
  • Author(s): Goda T, Miyahara Y
  • Organizer: The International Chemical Congress of Pacific Basin Societies 2015
  • Place of Presentation: Hawaii Convention Center, Honolulu, Hawaii, USA
  • Year and Date: 2015-12-15
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Plasma membrane-mimicked polymers for biosensing and bioengineering (2015)
  • Author(s): Goda T
  • Organizer: 14th Pacific Polymer Conference
  • Place of Presentation: Grand Hyatt, Koloa, Hawaii, USA
  • Year and Date: 2015-12-09
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] アプタマートランジスタによるバイオセンシング (2015)
  • Author(s): 合田達郎
  • Organizer: 第25回日本MRS年次大会
  • Place of Presentation: 横浜市開港記念会館，横浜
  • Year and Date: 2015-12-08
  • Invited
• [Presentation] Engineered biomimetic microenvironments using organic bioelectronic ion pumps for inflammation and infection studies (2015)
  • Author(s): Goda T, Richter-Dahlfors A, Miyahara Y
  • Organizer: 2015 MRS Fall Meeting & Exhibit
  • Place of Presentation: Hynes Convention Center and Sheraton Boston Hotel, Boston, USA
  • Year and Date: 2015-11-29
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] DNA aptamer-based label-free protein sensing using extended gate field-effect transistors (2015)
  • Author(s): Goda T, Matsumoto A, Miyahara Y
  • Organizer: 8th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2015)
  • Place of Presentation: Toyama International Conference Center, Toyama, Japan
  • Year and Date: 2015-11-10
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 水素イオンを用いたリアルタイム非標識アポトーシス測定法の開発 (2015)
  • Author(s): 合田達郎，宮原裕二
  • Organizer: 第37回日本バイオマテリアル学会大会
  • Place of Presentation: 京都テルサ，京都
  • Year and Date: 2015-11-09
• [Presentation] Phospholipid polymer interfaces reveal activation dynamics of C-reactive protein (2015)
  • Author(s): Goda T, Miyahara Y
  • Organizer: 250th American Chemical Society National Meeting & Exposition
  • Place of Presentation: Boston Convention and Exhibition Center, Boston, MA, USA
  • Year and Date: 2015-08-16
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] MPC as a synthetic ligand in C-reactive protein biosensing (2015)
  • Author(s): Goda T
  • Organizer: 2nd International Conference on Bioinspired and Zwitterionic Materials (ICBZM 2015)
  • Place of Presentation: University of Washington, Seattle, USA
  • Year and Date: 2015-08-13
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Specific interaction of phospholipid polymer with C-reactive protein (2015)
  • Author(s): Goda T
  • Organizer: The 32nd International Conference on Photopolymer Science and Technology
  • Place of Presentation: Makuhari Messe, Chiba, Japan
  • Year and Date: 2015-06-24
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Biomimetic Interface Reveals Activation Dynamics of C-Reactive Protein (2015)
  • Author(s): Tatsuro Goda
  • Organizer: The 6th Taiwan-Japan Symposium on Nanomedicine
  • Place of Presentation: 台湾，台北市，Academia Sinica
  • Year and Date: 2015-01-08 – 2015-01-09
• [Presentation] Cell Membrane-Mimetic Interfaces for Biomaterials and Bioengineering (2014)
  • Author(s): Tatsuro Goda
  • Organizer: International Polymer Conferences (IPC) 2014
  • Place of Presentation: 日本，茨城県，つくば市，エポカルつくば
  • Year and Date: 2014-12-02 – 2014-12-05
  • Invited
• [Presentation] プロトンを指標とした細胞膜障害性評価法の開発 (2014)
  • Author(s): 合田達郎，今泉祐輝，宮原裕二
  • Organizer: 第36回日本バイオマテリアル学会大会
  • Place of Presentation: 東京都，江戸川区，タワーホール船堀
  • Year and Date: 2014-11-17 – 2014-11-18
• [Presentation] 細胞膜模倣界面を用いた C-反応性タンパク質の分子動態の解明 (2014)
  • Author(s): 合田達郎，Peter Kjall，石原一彦，Agneta Richter-Dahlfors，宮原裕二
  • Organizer: 第36回日本バイオマテリアル学会大会
  • Place of Presentation: 東京都，江戸川区，タワーホール船堀
  • Year and Date: 2014-11-17 – 2014-11-18
• [Presentation] Evaluating Barrier Property of Cell Membrane via Ammonia Diffusion using pH Sensor (2014)
  • Author(s): Imaizumi Y, Goda T, Matsumoto A, Miyahara Y
  • Organizer: 27th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2014)
  • Place of Presentation: 日本，福岡市，ヒルトン福岡シーホーク
  • Year and Date: 2014-11-04 – 2014-11-07
• [Presentation] 機能性ナノ界面の構築とバイオセンシング応用 (2014)
  • Author(s): 合田達郎
  • Organizer: 日本薬学会 第27回バイオメディカル分析科学シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京都，板橋区，帝京大学
  • Year and Date: 2014-08-20 – 2014-08-21
  • Invited
• [Presentation] バイオトランジスタ：バイオ医工学ツールに向けて (2014)
  • Author(s): 合田達郎
  • Organizer: 第15回次世代医工学研究会
  • Place of Presentation: 静岡県，熱海市，ホテルニューアカオ
  • Year and Date: 2014-07-14 – 2014-07-15
• [Book] ヘルスケアを支えるバイオ計測 (2016)
  • Author(s): 合田達郎、宮原裕二
  • Total Pages: 258
  • Publisher: シーエムシー出版
• [Book] 超分子材料の設計と応用展開 (原田明 編) (2014)
  • Author(s): 宮原裕二, 松元亮, 合田達郎, 前田康弘, 田畑美幸, 三條舞
  • Total Pages: 257
  • Publisher: シーエムシー出版
• [Book] スマート・ヒューマンセンシング～健康ビッグデータ時代のためのセンサ・情報・エネルギー技術～(三林浩二 編) (2014)
  • Author(s): 合田達郎, 宮原裕二
  • Total Pages: 265
  • Publisher: シーエムシー出版
• [Remarks] Swedish Medical Nanoscience Center
  • URL: http://www.medicalnanoscience.se/
• [Remarks] 東京医科歯科大学 生体材料工学研究所 バイオエレクトロニクス分野 公式ホームページ
  • URL: http://www.tmd.ac.jp/bsr/index.html
• [Remarks] ナノメディシン分子科学 公式ホームページ
  • URL: http://www.tmd.ac.jp/nanomedicine/