2016 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 |
本研究の目的は、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)の実現を目指している。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。本申請課題は、代謝産物である糖尿病由来のアセトンや肝臓にて代謝されるエタノールなどの揮発成分を含む呼気や皮膚ガスを、光イメージングにより情報化が可能な計測システムを構築し、非侵襲的かつ簡便で新しい疾患のスクリーニングへの応用を目指した研究である。
平成28年度は飲酒後の生体から放出される、エタノールガスについて、呼気成分の可視化計測、さらに皮膚ガス中のエタノールガスの可視化計測について取り組んだ。ガス成分のイメージングのため、酵素固定化膜の材料の選定と固定化材料について検討を行った。標準ガス発生装置を用いて、エタノールガスの評価を行ったところ、0.1～200 ppmの定量性が確認され、従来の可視化法と比較して、10倍以上の高感度化を実現した。
構築したシステムを用いて、生体から放出されるガス成分の計測として皮膚ガスに着目し、アルコール摂取後の皮膚ガス中のエタノールガスのイメージングを行った。代謝に伴い、皮膚ガス中のエタノール濃度が経時変化していることが確認された。さらに、イメージングにより詳細な皮膚ガス中のエタノールの濃度分布を計測することが可能であった。今後、更なる高感度化を進め、詳細な皮膚ガスの計測方法としての技術の確立を目指す。
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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28年度は、前年度までに構築したイメージングシステムを用いて、皮膚表面での生体ガス成分イメージングによる放出動態の基礎検討について取り組んだ。皮膚ガス計測では広い皮膚面を対象とすることから、皮膚面と酵素メッシュとの間隔を一定にすることが必要である。そこで、同一形状のセルをドット状に配置したパターンプレートを作製し、それを酵素固定化メッシュにて覆う設計とした。また酵素固定化メッシュには、セルと同様の酵素ドットパターンを形成して皮膚と指を一度に高感度CCDカメラにてイメージングできる面積の酵素パターンを作製した。皮膚ガス計測用の酵素固定化メッシュは、メッシュ担体上にイメージングに必要な酵素をドット形状にて固定化し作製した。倫理委員会の認可に基づき、被験者の皮膚表面から放出されるエタノールガスについて放出動態、濃度分布について評価を行い、疾患イメージングに向けた検討を行った。
作製した皮膚ガスイメージング装置を用いて、アルコール摂取に伴う、皮膚ガス中に含まれるエタノールガスの可視化が可能であった。さらに、アルコール摂取後の時間経過にともない、皮膚ガス中に含まれるエタノール濃度が徐々に低下していくことも確認された。アルコール代謝能の異なる被験者を用いて、呼気と皮膚ガス中に含まれるエタノール濃度を可視化システムを用いて評価したところ、アルコール代謝能の高いALDH2(+)の被験者では、皮膚ガス中のエタノール濃度は比較的低く、一方、アルコール代謝能の低いALDH2(-)の被験者では、比較的高い濃度でエタノールガスが観察された。
以上のことから、作製したエタノールガス可視化システムにおいて、連続的な皮膚ガスのモニタリングと代謝機能評価も可能となった。今後、イメージングシステムの高感度化を進め、より詳細な皮膚ガスの放出動態を評価していきたいと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
バイオイメージングシステムを用いた代謝機能評価
前年度までに構築した要素技術を集積化して、疾患由来の生体ガスのバイオイメージングシステムの構築を目指す。測定の対象成分としては、肝臓の代謝機能評価のための皮膚ガス中に含まれるエタノールガスの放出動態を評価する。具体的にはアルコール脱水素酵素2型(ALDH2)の活性型(+)と非活性型(-)の被験者を用いて、代謝に基づく皮膚ガス中のエタノール濃度の変化について経時変化を計測する。さらに、糖尿病由来のアセトンをモニタリングできるシステムへと展開する計画である。また、掌だけでなく腕、首、胸上部、腋下などの上半身にて生体代謝ガスの放出動態の可視化を目指し、形状に合わせられるように柔軟性のある素材で作製したウェアラブルイメージセンサへと拡張し、非侵襲な疾患スクリーニングの方法として応用を図っていきたいと考えている。
生体代謝ガス成分の光イメージング法の確立により、疾患スクリーニングへの展開を行う。糖尿病患者において糖尿病性ケトアシドーシスは，インスリン欠乏もしくは作用不足によって，脂肪酸がエネルギー源として使われ，肝臓での代謝によりケトン体が産生される。このケトン体に含まれるアセトンを非侵襲的なスクリーニングに適用可能か検討を行う。本実験は、大学の倫理委員会の指導に基づき生命倫理、安全対策における対策と措置を十分に取り、医師や研究者に協力を仰ぎ、被験者による評価を行っていく計画である。
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