2020 Fiscal Year Annual Research Report
Realization of multi-modal ion image sensor to clarify interaction of neurotransmitters
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18H03778
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| Research Institution | Toyohashi University of Technology |
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Principal Investigator |
澤田 和明 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40235461)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | イオンイメージセンサ / マルチモーダル / バイオセンサ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
単一種類のイオン（例えば水素イオン）をイメージングするだけでなく，同一場所のその他の化学量（ガス，神経伝達物質：ATPやLactateなど，他のイオン：Kイオン，Caイオンなど）を同時に可視化できるマルチモーダルイメージセンサを実現し，シナプスや細胞の相互作用解明のために有用なツールであることを検証する．具体的には、マルチモーダルセンサのプラットフォームとなる電位センサアレイを試作し、次にその上に各種検出膜を形成することで、4種類以上の神経伝達物質・イオン，ガスを空間解像度5μm以下，時間分解能2msecで取得できるバイオイメージセンサの開発を行うことを目的としている．これまでの顕微鏡では単一種類の情報を光情報とし取得するため，実空間で生じる物理的現象と化学的現象の相互作用により発現する事象を理解するのは困難であった．本センサを活用し，あるイオン放出と同時に発現する他の神経伝達物質などの放出現象を微視的な位置情報と時間情報を保ったまま可視化することで，これまで理解できなかった事象の相関や発現メカニズムの解明が可能となる.これまで、本研究では、水素イオンと乳酸の同時イメージングが可能なセンサ、水素イオンとアセチルコリン、ATPが同時にイメージング可能なセンサ、水素イオンと溶存酸素を動じに検出することができるセンサの実現に成功した。また、それぞれの化学種のクロストークを押さえるための拡散抑制機構についても開発に成功している。
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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
まず，マルチモーダルセンサのプラットフォームとなる電位センサアレイを試作した。その能力は，256×256 画素以上，ピクセルピッチ5ミクロンで，フレームレート50flame/秒以上でリアルタイムで動作が可能であった。また、画素ピッチ1ミクロン、フレームレート500flame/秒で動くセンサの試作もおこなっている。次に本センサプラットフォームに、さまざまな検出膜を形成して、複数のケミカル情報を同時にイメージング化することに成功し散る。水素イオン感応膜のTa2O5とLactate Oxidase を修飾したAu膜を6ミクロンピッチで市松模様で形成することで、水素イオンと乳酸の同時イメージングが可能なセンサを実現し、海馬スライスの観察をおこなった。全面が水素イオン感応膜のTa2O5で覆われたもに、フォトリソグラフィ技術で光硬化性樹脂に包含した、アセチルコリンエステラーゼ、アピラーゼを、市松模様で形成することで水素イオンとアセチルコリン、ATPが同時にイメージング可能なセンサが実現できた。まだ画像までには至っていないが水素イオンと溶存酸素を動じに検出することができるセンサの実現に成功した。さらに当初の予定に加えまた、化学種のクロストークを押さえるための拡散抑制機構についても開発に成功していることから、(1)の自己評価とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度検討した作製方法において素子へのダメージ，最小画素ピッチだけではなく，最低検出感度，画素間のクロストーク，画素間の感度やばらつきなどを調査し，最も有用な手法に絞る．作製方法を確定した段階で，製作したデバイスの応用展開を開始する．
現在共同研究を行っている研究協力者の山梨大学小泉研究室に協力を得て，海馬スライス等からシナプス空隙のK イオン，ATP，並びにGABA 等の同時検出を試み，3 者間シナプス活動の解明をケーススタディとして応用展開を行う．昨年度までに成功した市松模様のセンサを交互にアレイ状に配置したデバイスを用いて．それぞれの最小検出限界，並びにクロストークを確認した後，マウスの海馬を用いた実験を試みる．薬理刺激よりシナプスからのグルタミン酸の放出，それに伴うアストロサイトからのATP 放出が起こることが想定できるので，その現象を本研究で開発したマルチモーダルイオンイメージセンサで取得することを目指す。またこの様なin-vitro の実験系が構築できた後，in-vivoでの計測系の実現も目指し、有用性を示すとともに、バイオサイエンスの分野でこれまで解明できなかったメカニズムの解明が可能なシステムのプロトタイプを実現する。
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