2019 Fiscal Year Annual Research Report
Spatial imaging system of gas emanated from human body for methods of disease screening
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19H02150
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| Research Institution | Tokyo Medical and Dental University |
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Principal Investigator |
荒川 貴博 東京医科歯科大学, 生体材料工学研究所, 講師 (50409637)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | バイオセンサ / ガスセンサ / 酵素 / 表面処理 / 可視化 / イメージング / 計測工学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、疾患・代謝により呼気や皮膚表面から放出される生体由来ガスに含まれる揮発性化学情報の高感度かつ選択的な画像化(イメージング)するシステムの実現を目指している。研究計画に基づき研究を推進し、当初の目的を十分達成することができた。2019年度は、要素技術確立(2019～2021年)のスケジュールで研究を行った。要素技術のイメージングシステムの構築に向けた酵素反応系の評価と酵素固定化担体の材料の選定と固定化法、イメージングシステムの基礎検討について評価を行った。具体的には、アセトンのような脂質代謝変化に関連する揮発性有機化合物を計測可能な酵素反応系を検討し、イメージングシステムに最適な酵素を選定した。さらに、空間中の揮発性有機化合物のイメージングのための酵素固定化担体についても検討を行った。新規導入したFT-IR（フーリエ変換型赤外分光）装置を用いて酵素固定化担体への表面処理の影響を評価することができ、酵素を担体表面に安定して維持することを確認した。また、現状のシステムではカメラで反応により生じる発光を撮像・記録からPCに読み込み、解析する必要があり、画像処理結果をロボットの制御信号として利用して、VOCを直接探知するようなシステムへの展開は難しい。そこで必要となるのはカメラで撮像した画像をPCにリアルタイムに取り込み、濃度分布画像から発生源の方向を推定するなどの情報処理を行う処理系の構築を行った。そのような処理系を新規に構築し、本研究で開発するシステムに導入するための基礎検討を行い、その有用性を確認した。全体の実験計画の予定はおおむね順調に進展している。来年度以降も、要素技術の確立を進めながら、ガス成分の可視化装置の開発を目指し研究を進めたいと考えている。
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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
2019年度は要素技術のイメージングシステムの構築に向けた酵素反応系の評価と酵素固定化担体の材料の選定と固定化法、イメージングシステムの基礎検討について評価を行い、研究を実施した。
はじめに、可視化計測に向けた基礎検討として、ガス成分を選択的に検出することが可能な、酵素の選定を行った。本年度はアセトンを測定することが可能な酵素について試薬を購入し、反応によって生じる蛍光強度などの基礎特性を評価した。アセトンを触媒する酵素には、二級アルコール脱水素酵素（S-ADH)を選定した。この酵素を利用し、バッファ溶液のpHを制御することで条件の最適化を行った。pH6.5付近において最大の蛍光強度の出力が確認できた。さらに温度依存性について評価を行い、室温環境下においては安定した計測が可能であることが確認された。
次に、空間中の揮発性有機化合物のイメージングのための酵素固定化担体についても検討を行った。酵素を担体上に固定化し、イメージングの評価を行った。固定化材料として、2-メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリン(MPC)とメタクリル酸2-エチルヘキシル(EHMA)の共重合体(PMEH)、およびグルタルアルデヒドを検討した。コットンメッシュ担体に、PMEHまたはGAを用いてS-ADHを固定したメッシュと、H-PTFEにPMEHを用いた固定化膜をそれぞれ準備し、緩衝液にて調製したNADH溶液を湿潤させた。そして可視化システム内に設置し、アセトンガスの負荷による蛍光強度の減少を測定した。H-PTFE膜にPMEHで固定化した場合に、最も高い出力が得られた。2020年度以降に検討を継続する。可視化システムの検討として、カメラで撮像した画像を取り込み、濃度分布画像から発生源の方向を推定する評価系を新規に構築し、その有用性を確認した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究計画は要素技術確立(2019～2021年)、要素技術を集積化・機能化したイメージングシステム構築(2020~2021年)と疾患スクリーニングへの応用(2021～2022年)のスケジュール研究を進めている。2020年度は可視化計測に向けた要素技術確立、要素技術を集積化・機能化したイメージングシステム構築に向け、研究を推進する。
2019年度では、H-PTFE膜にPMEHで固定化した場合に、最も高い出力が得られ、以降の実験ではH-PTFEを担体に用い、S-ADHをPMEHにて包括固定する方法を選んだ。しかし、H-PTFE膜にPMEHを用いた酵素膜では、アセトンガス負荷によるNADH蛍光の減少は観察できたものの、蛍光分布のバラツキが観察された。原因として、ガスを負荷した際にH-PTFE膜上のガスの滞留が考えられた。そのため、酵素固定化用に用いた担体表面への表面処理、レーザーマーカーを利用した加工処理を行うなどの、検討を継続する。また、新規導入したFT-IR（フーリエ変換型赤外分光）装置を用いて、表面処理の影響を詳細に評価することを予定している。さらに、S-ADH固定化メッシュにおける酵素量の最適化を行う。各種条件を最適化し、揮発性有機化合物の可視化計測に向けた要素技術の確立を目指す。ガス計測システムの配管や制御系についても検討し、自動化が可能であれば、新規にガス制御系の構築も行う予定である。可視化に用いる高感度カメラの選定を行う。市販のカメラやCMOSイメージセンサを利用することで比較的安価に高感度での撮影が可能と考えられる。
生体計測における倫理審査の準備も実験計画に遅れが生じないよう、慎重に準備を進める。
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