2019 Fiscal Year Research-status Report
Development of deoxyribonuclease sensor using DNA impedance
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18K13769
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| Research Institution | Seikei University |
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Principal Investigator |
氷室 貴大 成蹊大学, 理工学部, 助教 (70803964)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | マイクロデバイス / DNA / DNA分解酵素 / インピーダンス計測 / 静電配向 / マイクロ流路 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
微細な先鋭電極間に固定化したDNAを利用して，DNA分解酵素（DNase）の計測法を構築した．まず，静電配向を用いてDNAを微小電極間に伸長固定し，その後にマイクロ流路を通じてDNaseを導入する．すると，電極間に到達したDNaseは，酵素反応により電極間のDNAを切断する．これにより，DNAの断片は欠落し，電極間のインピーダンスは増加する．このとき，電極間に多数のDNAを固定化しておけば，DNaseの濃度や活性に応じて切断されるDNAの本数が異なり，それに応じたインピーダンスの変化が生じると予想される．このように，DNAの切断に伴うインピーダンス変化により，DNaseを検出することが可能となる．
マイクロ流路を用いて溶液を送液する際，その送液速度が速すぎると，DNaseの有無に関わらず電極間のDNAが剥離してしまう可能性がある．そのため，まずは送液流量の最適化を試みた．昨年度構築したDNAの等価回路モデル中の抵抗成分に着目し，その抵抗値の変化を読み取ることで，電極間のDNAに変化が生じたかを評価した．その結果，0.3 μl/minの流量では，抵抗値の変化がほとんど観察されず，本デバイスを用いる際の最適な送液流量は0.3 μl/minであると判断された．そして実際に，最適化した流量でDNase溶液を導入した結果，血液中に含まれるDNase濃度よりも10倍程度高い0.0001 unit/μlのDNase溶液において，DNAの抵抗成分が3.5倍程度増加することが確認された．溶液操作におけるDNAの剥離は考えられないため，この増加は酵素反応に由来するものだと考えられる．さらには，DNase溶液の濃度に依存して，DNAの抵抗成分の値が変化することを確認し，DNase濃度と抵抗値の増加比との相関を得ることに成功した．
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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
交付申請書の研究実施計画に記載した内容に基づいてDNA分解酵素の計測法を構築した．このとき，マイクロ流路内に導入する溶液の流速を最適化し，DNAを固定化した先鋭電極，DNAの等価回路モデルを使用することでDNA分解酵素溶液の濃度を定量化することに成功した．これらにより，当初目標としていた成果を得ることができたため．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度実施した実験によって，低濃度のDNase溶液（0.0001 unit/μl以下）を導入した場合，抵抗値の増加比が濃度に対して線形的に変化することが示された．そこで，DNaseを含まない溶液を導入した場合の増加比，標準偏差を基準とし，本デバイスの検出限界を算出したところ，その値は0.000055 unit/μlとなった．血中に含まれるDNase濃度を計測するためには0.00001 unit/μlレベルを高感度に検出できる必要があり，さらなる高感度化が必要となる．そこで，まずは電極形状の最適化を図る．本年度の実験では，電極間に12個の先鋭を設置したデバイスを用いたが，この先鋭数を変えることによってDNAの固定化本数を制御することが可能なため，DNaseを検出する上での先鋭数の最適化を行う．また，本実験により，流路内に溶液を導入する際の最適な流量は0.3 μl/minであることが判明したが，この流量では計測全体に1時間以上の時間を要してしまい，心筋梗塞等の特定の疾病の早期診断を目指す上では，この数値は現実的ではない．現在の実験では，流路内に導入されたDNase溶液を超純水に置換して計測を行う必要があり，この作業が余分な時間となっているため，DNaseを早期に検出できるようシステムの見直しを行う．
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