2016 Fiscal Year Annual Research Report
Hybrid electrochemical bioimaging with multiscale
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16H02280
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
末永 智一 東北大学, 環境科学研究科, 教授 (70173797)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
伊野 浩介 東北大学, 工学研究科, 准教授 (00509739)
井上 久美 東北大学, 環境科学研究科, 講師 (20597249)
熊谷 明哉 東北大学, 原子分子材料科学高等研究機構, 准教授 (50568433)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | バイオセンサー / 電気化学計測 / チップデバイス / プローブ顕微鏡 / バイオMEMS |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、電気化学イメージングのマルチスケール化という新しい概念に基づく計測システムを開発した。本研究で提案するマルチスケール化とは、シグナルと空間分解能に関する複数のスケールを電気化学イメージに組み込むことである。該当年度では、同時に複数の物質を計測できる電気化学デバイスを開発して、シグナルのマルチスケール化に関する研究を実施した。これは、従来の1種類の物質を電気化学イメージングするのとは異なり、多くの情報を取得できる優れた電気化学イメージングであり、細胞機能計測を含めた様々なバイオ計測への応用が可能である。
本研究ではまずデバイスの機能評価を実施した。この結果、開発したデバイス・システムがリアルタイム計測への応用が可能であることを示した（Angew. Chem. Int. Ed., 56, 6818, 2017）。この研究では、微生物の動体観察を電気化学的に計測しており、水質検査などへの応用が可能である。また、測定プログラムの改良やデータ集録ボードの組み換えを行い、1フレームが1 ms以下で取得できる高速化した計測システムを完成させた。高速化での電気計測に関する特性評価は未実施であるため、2018年度に評価する予定である。
また、胚性幹細胞の呼吸活性と分化活性の同時の電気化学イメージングに関する論文を報告した（Anal. Chem., 89, 12778, 2017）。さらに神経様細胞の呼吸活性とドーパミン放出計測の同時計測も達成した。この計測法により、これらの細胞機能の相関性を観察することや、細胞の品質評価が可能である。これらの細胞以外にも、間葉系幹細胞の計測にも成功しており（Electrochim. Acta, 268, 554, 2018）、計測システムの汎用性を示した。センサの局所修飾法の開発に成功しており（Chem. Lett., 47, 204, 2018）、さらに汎用性が高い計測が期待できる。
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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
該当年度に13報の学術論文を報告した。したがって、学術的な点において大きく研究が進んだと言える。申請書に記載したシグナルのマルチスケール化に関するシステム・デバイス開発が順調に進んでおり、ほぼ完了した。また、開発したシステムを用いて、単純な酵素活性の計測に成功した。さらに、酵素よりも複雑な細胞機能の計測にも成功した。このことからも、本研究が順調に進んでいると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
1フレームを1 ms以下で計測できる高速化システムの機能検証を実施する。その後、リアルタイム計測が重要である対象物を計測し、本システムの有用性を示す。具体的には、神経細胞からのドーパミン計測や、心筋細胞の活動電位の伝搬を電気化学イメージングする。
これまでにシグナルのマルチスケール化に関するデバイス・システムの開発を完了し、胚性幹細胞や神経様細胞、間葉系幹細胞の評価への応用を実施した。本システムの汎用性をさらに示すために、本年度は様々な細胞種の活性を評価する。また、グルコース検出や過酸化水素検出といったこれまでに計測していない様々な評価項目の計測を実施する。
また、電気化学チップデバイスとナノ走査型電気化学顕微鏡の融合を推進し、異なる空間分解能を有する電気化学イメージ（空間分解能のマルチスケール化）を取得する。このために、研究分担者を1名追加し、プローブ顕微鏡に関する研究を推進させる。
2018年度が研究の最終年度であるため、デバイス・システムの普及を検討する。具体的には、企業との共同開発を推進して、デバイス・システムの商品化を検討する。
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[Journal Article] Electrochemicolor imaging using an LSI-Based device for multiplexed cell assays2017
Author(s)
Yusuke Kanno, Kosuke Ino, Hiroya Abe, Chika Sakamoto, Takehiro Onodera, Kumi Y Inoue, Atsushi Suda, Ryota Kunikata, Masahki Matsudaira, Hitoshi Shiku, Tomokazu Matsue
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Journal Title
Analytical Chemistry
Volume: 89
Pages: 12778-12786
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Presentation] Electrochemical Approach for Protease Sensing2017
Author(s)
Kumi Y. Inoue, Sixiang Sun, Shinichiro Takano, Shusaku Shiomoto, Takahiro Ito-Sasaki, Tomokazu Matsue
Organizer
The International Workshop: New Electroanalytical Techniques and Their Emerging Applications (IWNET 2017)
Int'l Joint Research / Invited
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