2015 Fiscal Year Annual Research Report
生体代謝ガス成分の光イメージング法の確立と疾患スクリーニングへの展開
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15H04013
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| Research Institution | Tokyo Medical and Dental University |
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Principal Investigator |
荒川 貴博 東京医科歯科大学, 生体材料工学研究所, 講師 (50409637)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
三林 浩二 東京医科歯科大学, 生体材料工学研究所, 教授 (40307236)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 計測システム / 生体計測 / イメージング / 生体代謝ガス / 酵素 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、皮膚表面から放出される生体由来ガスに含まれる揮発性化学情報の高感度かつ選択的な画像化(イメージング)を実現することである。体内の代謝に伴い呼気や皮膚ガスとして放出されるガス成分はその濃度が空間的・時間的に大きく変動する。その濃度変化や放出分布をリアルタイムで画像化し、空間的・時間的情報を兼ね備えた生体ガス情報のイメージングが可能となれば、発生部位の特定や濃度の連続測定が可能な、新規な非侵襲計測・診断法となり得ると考えられる。
平成27年度は化学発光とNADHの蛍光を用いた生体代謝ガス成分イメージングシステムの構築を行った。生体由来のガス成分の光イメージング方法として、生体触媒を利用した化学発光によるイメージングとNAD+(NAD酸化型)とNADH(NAD還元型)の補酵素を利用した蛍光によるイメージングによる生体代謝ガス可視化システムの構築を行った。平成27年度導入したSPM装置にて酵素固定化について検討を行った。可視化システムを用いることで生体由来のガス成分の可視化計測の可能性が示された。
研究の状況としては、生体ガスの可視化計測も可能となったことから概ね順調に進展しており、可視化システムの高機能化と生体計測に向けた研究を進めていきたいと考えている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成27年度は化学発光とNADHの蛍光を用いた生体代謝ガス成分イメージングシステムの構築を行った。生体由来のガス成分の光イメージング方法として、生体触媒を利用した化学発光によるイメージングとNAD+(NAD酸化型)とNADH(NAD還元型)の補酵素を利用した蛍光によるイメージングによる生体代謝ガス可視化システムの構築を行った。
まず、化学発光に必要な酵素を、酵素固定化膜を作製し、その化学発光を高感度に撮影するCCDカメラにて匂い情報を可視化するシステムを構築した。可視化するためのモデル成分として比較的取り扱いの容易なエタノールガスを用いた可視化システムの構築を行った。化学発光に寄与する二種類の酵素をメッシュ担体上に包括固定しルミノール溶液に湿潤させた後暗箱内に設置し、アルコール酸化酵素(AOD)はエタノールを酸化触媒する際に、過酸化水素を生成し、西洋ワサビ由来ペルオキシダーゼ(HRP)の触媒によりルミノールと反応を生じ、その発光をCCDカメラによって撮影した。ガス成分の酵素固定化膜への拡散、発光に導くための試薬濃度、pHなどの最適化を行ったところ、皮膚ガス計測が可能な高感度化が可能であった。
NADHの蛍光を用いたエタノールガスの蛍光イメージングシステムの構築を行った。アルコール脱水素酵素(ADH)をグルタルアルデヒド溶液にて表面処理したメッシュ状の担体に塗布し、酵素固定化を行った。その後NAD+溶液に浸漬させ暗箱内に設置した。エタノールガスを酵素固定化担体に負荷し、生じた蛍光を高感度カメラにて撮影した。励起光源にはUV-LEDをアレイ上に配列したモジュールを用いて評価を行った。光源として中心波長340nmの9×9アレイを作製し、酵素固定化担体に照射する際の紫外線強度分布が均一になるようLED集光レンズと間隔について評価を行い、紫外線強度分布を均一化することが可能であった。
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| Strategy for Future Research Activity |
蛍光イメージングのための自家蛍光の少ない酵素固定化担体の検討とppbレベルへの高感度化について研究を推進する。
具体的には、紫外領域のLED光源での励起により、イメージングに必要な担体の自家蛍光が問題となる。化学発光を利用したイメージングではコットンやセルロース製のメッシュ担体を使用していたが、紫外励起により微弱な蛍光を計測するため、材料由来の自家蛍光がイメージングに大きく影響することが確認されている。そこで、340nmの紫外光照射においても自家蛍光が無く、かつ発光に必要な酵素を包括固定することが可能な担体の選定が必要不可欠である。現状では、酵素の包括固定に用いられる繊維では、製造過程に洗浄や表面処理により表面に自家蛍光を発しやすく、完全に除去することは難しい。そのため、繊維メーカ(東レ・デュポン社、日本ゴア社)と協力して、自家蛍光をほとんど発しない酵素固定化担体の開発を進めている。また、繊維表面に対し親水性の炭素材料を表面コートすることで繊維材料への紫外光の到達を抑え、表面積の大きな炭素表面へ効果的に酵素を固定化する方法についても検討を行う。
また、呼気中濃度よりもさらに低濃度で生体から放出される皮膚ガスに含まれるエタノールガスについても検討を進める。ppbオーダーの極低濃度で経皮から揮発性物質が放出されていると報告されており、新たな非侵襲的診断法としての確立を目指し研究を行う。そのため、揮発性成分の酵素固定化膜への拡散、発光に導くための試薬濃度、緩衝溶液のpHの最適化を行い、対象物質のppbオーダーでの高感度な可視化が可能な実験系の実現を目指す。高感度化においては、蛍光試薬を用いた反応系と撮像光学系の改良を予定している。
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