2017 Fiscal Year Annual Research Report
疾病・代謝由来の低濃度な生体臭成分（皮膚ガス）を高感度計測する生化学式ガスセンサ
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17H01759
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| Research Institution | Tokyo Medical and Dental University |
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Principal Investigator |
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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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
荒川 貴博 東京医科歯科大学, 生体材料工学研究所, 講師 (50409637)
當麻 浩司 東京医科歯科大学, 生体材料工学研究所, 助教 (40732269)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 皮膚ガス / ガスセンサ / 疾病 / 代謝 / 高感度 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題では、嗅覚コミュニケーションの対象成分である“生体臭”について、疾病・代謝に起因する低濃度の皮膚ガス成分（エタノール、アセトン，イソプロパノール等）をリアルタイム計測する「超高感度なガスセンサ：人工嗅覚システム」を、申請者らが考案した生化学式ガスセンサの技術に「高感度光学検出系」「微量ガス濃縮装置」を導入し実現することを目標とする。研究では、生体ガスの触媒が可能な脱水素酵素（還元酵素）を認識素子として用い、その補酵素NADHを高感度に検出するための高感度光学系を構築して、NADH蛍光検出系を作製する。次に「微量ガス濃縮装置」を計測流路に組み入れることで、皮膚ガス成分用の超高感度なガスセンサを構築する。そして皮膚ガスフロー系を導入し、疾病・代謝由来の皮膚ガス成分を直接モニタリングし、生体臭計測による新たな診断法・代謝評価法へと発展させる。
初年度（H29年度）には、補酵素NADHを高感度に検出するために、高感度フォトマルチプライアによる高感度光学系を導入して、NADH蛍光検出系を構築した。また自家蛍光のない酵素膜を気液セルに装着し、酵素の反応生成物（又は消費物）であるNADHを蛍光検出することで作製した。アセトンは脂質代謝にて生成され、呼気や皮膚ガスとして体外に放出される。このアセトンを2級アルコール脱水素酵素（S-ADH）が還元反応を生じる際に、NADH濃度の消費による減少をUV-LED(340nm)を励起光源とし蛍光検知し、アセトンガスの測定を行うこととした。この紫外領域の光源としてUV-LEDを用いるが、波長帯域が広いことから、蛍光領域へのノイズを下げるためバンドパスフィルタを利用した。また高感度フォトマルチプライアを設備導入し、高感度NADH蛍光検出系を構築した。開発した高感度NADH蛍光検出系を用いてアセトンガス用の生化学式ガスセンサを構築することができた。
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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
本研究では、疾病・代謝に起因する低濃度の皮膚ガス成分を計測する「超高感度なガスセンサ：人工嗅覚システム」の実現を目標としており、初年度には、補酵素NADHを高感度に検出するための高感度光学系を構築して、NADH蛍光検出系を作製することが目標であった。そこで生化学式ガスセンサでは、生体ガス成分を酵素にて認識し、触媒反応へと導き、その際の補酵素NADHが自家蛍光を検出し、対象ガス成分を測定することとした。アセトンガス計測は、2級アルコール脱水素酵素（S-ADH）の還元反応にて生じるNADH濃度の消費による減少をUV-LED(340nm)を励起光源とし蛍光検知し、アセトンガスの測定を行った。まず紫外領域の光源としてUV-LEDを用い、蛍光領域へのノイズを下げるためバンドパスフィルタを利用し、また高感度フォトマルチプライアを設備導入することで、高感度NADH蛍光検出系を作製し、次に本蛍光検出系を用いて「生化学式ガスセンサ」の構築を行った。この「生化学式ガスセンサ」の構築では、S-ADHを固定化した酵素膜を隔膜とする「気液隔膜セル」を作製し、この液相セル側にNADH蛍光検出系の光ファイバ先端を装着し、「生化学式ガスセンサ」とした。本センサでは、気相セル側のアセトンガスが気液隔膜として機能するS-ADH酵素膜に拡散し、液相セル側のNADHを消費しながら還元反応を生じ、このNADHの減少を光ファイバにて蛍光検出することで、アセトンガスを測定可能であった。また嗅覚の粘膜層のように液相セルの緩衝液を還流することで、ｐHの維持と、ＮＡＤHの供給も行うことができた。なお極低濃度ガス成分を測定可能な「超高感度なガスセンサ」の開発に不可欠で、次年度（H30年度）に導入を予定していた「微量ガス濃縮装置」を先行して初年度に導入し、早期の皮膚ガス計測の可能性に取り組むことにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度には、初年度に開発した「生化学式ガスセンサ」について、標準ガス発生装置を用いて、センサ特性（応答性、感度、定量性、選択性など）の評価・最適化を実施する。また蛍光特性が少ない親水性ＰＴＦＥ膜(H-PTFE膜)を酵素支持膜として選択し、また酵素固定化用の高分子材料(MPC-co-EMHA)を合成する。このポリマーの基材であるMPCは酵素固定化に優れた生体適合性材料で、細胞膜と同様な両親媒性の高分子材料で、可視光にて自家蛍光が少ないことから、開発する蛍光デバイスでの酵素固定化に適した材料である。このMPC-co-EMHAで酵素触媒をH-PTFE膜に包括固定化し、その酵素膜を気液隔膜セルの隔膜として光ファイバの感応部に装着して、蛍光計測プローブとする。なお光プローブと酵素膜とのギャップ、気相セルのガス流速、液相セルの緩衝液流速、緩衝液のｐH等について最適化を実施する。また初年度に先行導入した微量ガス濃縮装置について性能を評価した後、開発した「生化学式ガスセンサ」と組み合わせ、低濃度ガス成分（ppt, ppq）を測定可能な「超高感度なガスセンサ：人工嗅覚システム」の開発を進める。実験では、本装置を「生化学式ガスセンサ」に組み込み、皮膚ガスを濃縮しながら、半連続的（約1分毎）にガス成分の超高感度にセンシングを行う。これにより高感度化を図り、低濃度ガスの超高感度ガス計測を進める。なお平行して、他の生体臭成分であるイソプロパノール、ノネナール、ジアセチル、エタノール、アセトアルデヒドなどの成分についても、触媒反応が可能な酵素を選定し、各ガスセンサの検討を行う。
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Research Products
(1 results)
