2013 Fiscal Year Annual Research Report
ナノプラズマ制御技術の創成と局所照射による生体機能制御
| Project Area | Plasma medical innovation |
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| Project/Area Number |
24108004
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
金子 俊郎 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30312599)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐藤 岳彦 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (10302225)
加藤 俊顕 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 講師 (20502082)
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| Project Period (FY) |
2012-06-28 – 2017-03-31
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| Keywords | ナノプラズマ / カーボンナノチューブ / 遺伝子導入 / 生体機能制御 / 局所プラズマ照射 |
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| Research Abstract |
カーボンナノチューブ（CNT）先端にナノサイズのプラズマを生成・制御する技術を創製し，ナノプラズマ局所照射により生体機能を制御することで，高効率・低侵襲で遺伝子を細胞質内に導入する新しい遺伝子治療技術を開発することを目的として，２年目はマイクロメートルサイズのプラズマ生成とその計測手法の確立，および遺伝子を模擬した蛍光物質の細胞内への導入に対するプラズマ効果の解明を目指して実験を行った．
1. 純水で満たした石英セル内に直径および先端曲率半径を制御した金属電極を挿入し，20 kV以下のパルス電圧を印加することによってプラズマの生成を行った．電極先端の曲率半径を小さくすることで放電開始電圧が低下し，1マイクロメートルの時に3 kV程度まで電圧を低下できることを明らかにした．また，微小電極先端での放電の様子を高速度ビデオカメラで観測することによって，一次ストリーマの放電特性を初めて明らかにした．
2. 電解質・気液界面プラズマ装置を用いて，CNT表面へのナノ粒子合成を行った．DNAを官能基として用いることで，高密度の金ナノ粒子をCNT表面に分散させて合成することに成功した．
3. プラズマ照射の遺伝子導入に対する効果を調べるため，蛍光物質を用いてプラズマ照射による細胞への導入実験を行った．大気圧ヘリウムプラズマをマウス繊維芽細胞と蛍光物質を混合した懸濁液に直接照射した場合と，プラズマを照射した生理緩衝溶液（プラズマ照射溶液）を細胞懸濁液に注入した場合を比較したところ，両者とも蛍光物質が細胞内に導入されるが，直接照射した場合にその効果が大きいことが明らかとなった．また，プラズマ照射溶液を細胞懸濁液に注入するまでの保持時間を変化させることによって，遺伝子導入に寄与する成分を同定することに成功した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
ナノプラズマ生成に関しては，マイクロメートルサイズのプラズマ生成に成功し，金属電極先端の曲率半径をさらに小さくできるため，ナノメートルサイズのプラズマ生成実現にほぼ到達している．また，微小プラズマの放電現象で重要である一次ストリーマの放電特性を初めて明らかにしており，当初の計画以上に進展していると言える．
細胞への遺伝子導入技術開発においては，プラズマ照射による蛍光物質の導入について，細胞懸濁液へのプラズマの直接照射とプラズマ照射溶液による間接照射の効果を比較することによって，遺伝子導入に寄与するプラズマ成分を明らかにし，プラズマによる遺伝子導入のメカニズム解明に迫っており，当初の計画以上に進展していると言える．
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| Strategy for Future Research Activity |
ナノプラズマ生成に関しては，金属先端でマイクロスケールのプラズマが生成されることが実証されているので，金属先端にカーボンナノファイバー（CNF）およびナノチューブ（CNT）を成長させ，その先端でナノスケールのプラズマが生成されることを明らかにする．また，ナノスケールプラズマの可視化手法を確立し，プラズマサイズが小さくなることによる新奇効果を明らかにする．
遺伝子のCNTへの内包・輸送・放出手法開発に関しては，気液界面プラズマを用いて，CNT表面に能動的にナノ粒子を形成する手法を開発するとともに，がん細胞などの特定の細胞に結合する抗体のCNT表面への修飾を行う．
細胞への遺伝子導入技術開発については，細胞膜へのプラズマ照射による遺伝子導入のダイナミクスを明らかにするために，高速度ビデオカメラ等を用いて蛍光物質のリアルタイム観測を行う．また，プラズマ照射による細胞膜自体（イオンチャネル，脂質二重膜，等）の変化を観測し，プラズマ中のどの成分がその変化を引き起こすのかを明らかにする．
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