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2015 Fiscal Year Research-status Report

半導体イメージングプレート

Research Project

Project/Area Number 15K13379
Research InstitutionYokohama National University

Principal Investigator

馬場 俊彦  横浜国立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (50202271)

Project Period (FY) 2015-04-01 – 2017-03-31
Keywords細胞イメージング / GaInAsP / フォトルミネセンス / ラベルフリー
Outline of Annual Research Achievements

本研究ではGaInAsP/InP半導体が、それを浸漬する溶液のpHや半導体の表面電荷によって、光励起に対するフォトルミネセンス強度を変化させるという独自の発見をもとに、半導体の表面に生きた細胞を直接培養し、蛍光標識を用いずに、フォトルミネセンスの強度パターンを通じて細胞のイメージングを行うことを目指したものである。そのため、-60℃まで冷却可能で、同半導体の発光波長帯(1300~1600nm)に対応可能なInGaAsカメラを利用し、まずは半導体表面に代表的ながん細胞である子宮頸がん細胞を培養してイメージングを試みたところ、確かに細胞がある個所でフォトルミネセンスが強くなることを確認した。これはがん細胞が培養液より低いpHをもち、それによって表面の負の帯電が抑制され、これによって半導体内に形成されたショットキー障壁の高さが減少、表面再結合が抑制されたという物理モデルが考えられた。このモデルは、水中で正に帯電する自己組織化単分子膜を半導体表面に形成したときにフォトルミネセンスが強くなることからも裏付けられた。そこでさらに様々な細胞の培養と観測を試したところ、肝臓がん細胞では同様のイメージが得られ、正常細胞ではこのようなパターンが観測しづらかった。これはがん細胞のpHが一般に低いことに起因していると考えられる。逆に言えば、がん細胞と正常細胞を蛍光標識や染色を行うことなく識別できる可能性を示しており、有用な成果が得られたと考えられる。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

InP基板上に有機金属気相成長法を用いてGaInAsP層 (厚さ約300 nm) をイメージング用の基盤とした。この上に、子宮頸がん細胞、肝臓がん細胞、リンパ管内皮細胞、マウス脳血管内皮細胞を培養し,波長980 nmのレーザ光を広げて光励起した。細胞へのダメージを避けるため、パルス励起とし、冷却型カメラを用いることで暗電流を抑制し、フォトルミネセンスのコントラストを高めた。その結果、二種類のがん細胞では明らかに細胞が付着している個所のフォトルミネセンス強度が高くなることが確認された。一方、二種類の正常細胞についても細胞に対応する部分の強度が増大したものの、その変化はがん細胞に比べると小さかった。正常細胞のpHは周囲の培養液のpH = 7.4とほぼ同じなので,フォトルミネセンスの変化が小さいと予想されたが、わずかな変化は細胞分泌物の影響により局所的にpHが低下しているか,イオン濃度が上昇している可能性がある.同一種類の細胞でもPL強度が増大していないか,むしろ低下している可能性が考えられた。また細胞と基板の接着状態,細胞の状態にも関連していると考えられた.細胞とフォトルミネセンス強度の関連がより明確になれば,細胞の分析が著しく簡単になり、蛍光標識等が不要の低侵襲なバイオイメージング技術になると期待される.

Strategy for Future Research Activity

2年目は細胞の挙動とフォトルミネセンス強度の対応の原因をまず探求する。これには、細胞に蛍光標識を導入し、それが示す蛍光像と、本研究のフォトルミネセンス像がどのように対応するかを調べるのが最も有効である。現在の顕微鏡に現有の青色レーザを励起光源として、CCDカメラをイメージング素子として設置し、励起光カットフィルタを入れて、蛍光像の同時観測を可能にする。これにより細胞内部や表面の挙動と、フォトルミネセンス像を比較し、フォトルミネセンス像の主要要因が何かを特定する。次に幹細胞の培養を試みる。幹細胞は様々な細胞に分化することができるものであるが、これに蛍光標識を導入すると、侵襲によって分化が阻害されることが知られている。これを本半導体基板のフォトルミネセンスによって観測することを目指す。もし分化による変化が確認できれば、幹細胞のメカニズムを解明するのに大きく貢献し、また分化の安定化や制御の手法を発見することにもつながると期待している。

  • Research Products

    (6 results)

All 2016 2015 Other

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (4 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Cell imaging using GaInAsP semiconductor photoluminescence2016

    • Author(s)
      M. Sakemoto, Y. Kishi, K. Watanabe, H. Abe, S. Ota, Y. Takemura, T. Baba
    • Journal Title

      Optics Express

      Volume: 24 Pages: 11232-11238

    • DOI

      10.1364/OE.24.011232

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Label-free living-cell imaging using photoluminescence from GaInAsP semiconductor plate2016

    • Author(s)
      M. Sakemoto, Y. Kishi, K. Watanabe, S. Ota, Y. Takemura, T. Baba
    • Organizer
      Biosensors
    • Place of Presentation
      Gothenburg, Sweden
    • Year and Date
      2016-05-25 – 2016-05-27
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] GaInAsP半導体イメージングプレートによる様々な細胞イメージング2016

    • Author(s)
      酒本真衣, 景山達斗, 福田淳二, 馬場俊彦
    • Organizer
      応用物理学会春季講演会
    • Place of Presentation
      東京
    • Year and Date
      2016-03-19 – 2016-03-22
  • [Presentation] GaInAsP半導体デバイスを用いたバイオセンシング/イメージング2015

    • Author(s)
      馬場俊彦, 羽中田祥司, 渡部工, 高橋大智, 古田裕樹, 渡邊敬介, 阿部紘士, 岸洋次, 酒本真衣, 北翔太
    • Organizer
      電子情報通信学会光エレクトロニクス研究会
    • Place of Presentation
      高松
    • Year and Date
      2015-11-26 – 2015-11-27
    • Invited
  • [Presentation] GaInAsP半導体イメージングプレートによる細胞イメージング特性評価2015

    • Author(s)
      酒本真衣, 大多哲史, 竹村泰司, 馬場俊彦
    • Organizer
      応用物理学会秋季講演会
    • Place of Presentation
      名古屋
    • Year and Date
      2015-09-12 – 2015-09-15
  • [Remarks] 馬場研究室

    • URL

      http://www.baba-lab.ynu.ac.jp/babalabj.htm

URL: 

Published: 2017-01-06  

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