2020 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 / イメージング / 酵素 / 生体ガス / 連続計測 / 代謝 / 固定化 / ガスセンサ |
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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。2020年度は、要素技術確立(2019～2021年)とイメージングシステムの構築と評価(2020~2021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検討について継続して評価を行った。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、イメージングを実施し、感度、応答性などに優れていることが確認された。前年度導入したFT-IR（フーリエ変換型赤外分光）装置を用いて、コットン製のメッシュ担体への酵素固定化の影響を評価した。また、生体触媒である酵素を利用したイメージングでは、酵素の分子認識能は反応などの影響により活性が低下する減少が確認された。そこで試薬循環によりタンパク質の機能の維持を目的とした流体システムとの融合について検討した。現在、評価を進めており、固定化方法の改良により安定した測定が可能となりつつあり、研究結果を論文投稿の準備を進めている。現在のところ、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、要素技術の確立とイメージングシステムの構築を進め、ガス成分の可視化装置の開発、生体ガスでの計測を目指し研究を進めることができた。
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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)のスケジュールで研究を進めている。本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検討について評価を行い、研究を実施した。これまで、アセトンを触媒する酵素として、二級アルコール脱水素酵素(secondary alcohol dehydrogenase: S-ADH)を選定しており、この酵素を用いたアセトンの還元反応を利用した可視化システムの構築を行った。酵素をコットン製のメッシュ担体にグルタールアルデヒドを用いた固定化方法により安定して固定化することに成功した。酵素を固定化したメッシュを暗箱内に設置し、標準ガスイメージングシステムとして定量性、感度を評価した。酵素固定化用の材料として、反応性官能基を有するグルタールアルデヒドを用い、固定化について評価した。本研究予算で購入したフーリエ変換赤外分光光度計(FT-IR)を用いて、担体に対する官能基の状態を評価し、酵素膜上への官能基の生成を確認できた。また、生体触媒である酵素を利用したイメージングでは、酵素の分子認識能はタンパク質の熱変性、長時間使用、反応生成物の影響により活性が低下 、失活してしまう影響がある。そこで試薬循環によりタンパク質の機能の維持を目的とした流体システムとの融合について検討した。現在、評価を進めており、安定した測定が可能となりつつあり、研究結果を論文投稿の準備を進めている。さらに蛍光イメージングの出力の安定化に関わる緩衝液を供給できるようなマイクロ流路とイメージングに用いるバイオセンサを一体とした系を構築し、検討を進めている。順調に研究が進展している。
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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。2021年度は可視化計測に向けた要素技術確立、イメージングシステム構築に向け、研究を推進している。
2020年度では、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。そのため、レーザーマーカーを利用した加工処理を行い、ガス成分の表面への滞留の無いイメージング方法を採用した。さらに酵素固定化の担体としてコットン製のメッシュ担体を選定し、グルタールアルデヒドを用いた酵素固定化方法について評価し、イメージングに適していることが確認された。今後はレーザー加工したH-PTFE担体、コットン製のメッシュ担体の材料を用いて、生体由来のガス成分の計測を実施する。今年度導入した高解像度の光学顕微鏡を用いて、酵素固定化担体への酵素の固定化の状態をガスイメージング前後で評価し、酵素膜の再利用についても評価を行う。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する。さらに、可視化に用いる高感度カメラの選定を行い、市販のカメラやCMOSイメージセンサを利用することで安価に撮影可能な光学系の構築も行う。生体計測における倫理審査の準備もおおよそ完了しており、実験計画に遅れが生じないよう、準備を進める。
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