2020 Fiscal Year Annual Research Report
Super-resolution live-cell imaging of cell-attached nanointerface using LSPR sheets
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19H05627
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
玉田 薫 九州大学, 先導物質化学研究所, 教授 (80357483)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
木戸秋 悟 九州大学, 先導物質化学研究所, 教授 (10336018)
須川 晃資 日本大学, 理工学部, 教授 (40580204)
岡本 晃一 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (50467453)
居城 邦治 北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (90221762)
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| Project Period (FY) |
2019-06-26 – 2024-03-31
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| Keywords | 局在プラズモン共鳴 / ライブセルイメージング / 超解像度 / ナノ粒子 / メタマテリアル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
課題１：超解像度超高速ライブイメージング用局在プラズモンシートの作製
より強い電場励起のためには、角の尖った四角柱状銀ナノ粒子あるいは三角形銀ナノプリズムの利用が有効であることが電磁場計算により明らかになったため、その指針に合わせた粒子の変更と自己組織化に着手した。これらの自己組織化シートを用いてライブセルイメージングの予備検討を開始したが、大きな増強蛍光は観察されなかった。その原因として、柱状粒子の場合、光学的な厚みが大きく、シートの透過光量が励起光/発光ともに減少したことが原因と考えられる。この結果に基づき、今後は反射型による高感度型イメージング法の検討を進める。
課題２：細胞接着ナノ界面の創製と分子ダイナミクスの直接イメージング
Venus-Paxillin-3T3 細胞のタイムラプス測定を実施した結果、生きた細胞内の接着斑蛋白質パキシリンのクラスター形成過程をナノの解像度（65 nm/pixel）で実時間観察することに成功した。これらの成果はACS Nano Materials に論文発表されるとともに社会的に注目され、日本経済新聞（NextTech 2030）に加えて、海外のソーシャルメディアでも多数紹介され、Altmetric Score 100 (Top5% 注目論文）を獲得した。さらに細胞接着のごく初期を観察対象に観察を行ったところ、これまでに報告されていない新たな繊維状新生接着体の形成を発見した。メカノバイオロジー関連の細胞接着牽引挙動の観察については、今期ガラス基板上での予備検討において細胞接着界面の特徴を反映する蛍光像を得ることに成功した。今後これを局在プラズモンシート上に適用し、より高感度高精細および高速の細胞ダイナミクスの観察法として完成させる。
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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
課題１/課題２ともに順調に進展している。課題１では四角柱状銀ナノ粒子あるいは三角形銀ナノプリズムなどの異形粒子の大面積自己組織化がほぼ完成し、イメージングに着手する段階に来ている。課題２では、昨年度からの成果として、生きた細胞内の接着斑蛋白質パキシリンのクラスター形成過程をナノの解像度で実時間観察した成果について論文発表をしたところ、上述の通り大きな反響があった。細胞接着初期過程の観察では、当初より目指していた本手法の最大の強みである細胞のダイナミクス観察による新たな現象の発見が得られつつあり、来年度にはこの結果について論文にて報告できると考えている。AIによる画像解析については、専門家の意見を聞き検討を開始したところ、現在得られている画像が極めて鮮明なために、現状AIに頼る必要はないとの見解であった。今後がん細胞/幹細胞の分化等より複雑で繊細な現象あるいはハイスループット診断に取り組んだ際に再度検討を進めることとする。
今回繰越申請をして取り組んだシンガポールならびに台湾との国際共同研究では、半導体の合成ならびに自己組織化に関してオンラインでの共同研究実施ながら充分な成果を得ることができた（コロナ禍継続により使用が叶わなかった繰越旅費は、オープンジャーナルへの論文投稿やプロジェクト成果発表用のWebsiteの整備など、研究成果の発信に活用した）。
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| Strategy for Future Research Activity |
課題１：超解像度超高速ライブイメージング用局在プラズモンシートの作製
予定期間最終年として、微粒子合成法、自己組織化シート作製、蛍光イメージングへの応用を完成させる。具体的には、角の尖った均一サイズの銀被覆四角柱粒子ならびに銀ナノプリズムを使用し、主として気液界面（水平配向）にて大面積自己組織化シートを作製、最終的な膜構造が決まったら、電場増強効果を電磁場解析シミュレーションによって計算するとともに、膜の透過率に応じて、従来の透過型顕微鏡用のイメージングシートとするか、あるいは反射型顕微鏡で用いるかを決め、実際に細胞観察実験を行う。特に反射型では、ナノ粒子シートを金属基板上へ配置することで、メタ表面としての蛍光増強効果が最大となる構造を提案する。
課題２：細胞接着ナノ界面の創製と分子ダイナミクスの直接観察
前年度発見した細胞内ナノ構造体を使い、高解像度・高速イメージング画像から、基板の細胞接着性をスクリーニングする手法の確立を試みる。その際、細胞染色の蛍光色素の波長に合わせて、課題１で新規合成した異型微粒子シートの利用も検討する。ポリマー薄膜を界面変形層として用いる無染色細胞の接着牽引挙動の観察も引き続き検討する。
国際共同研究により開発したフルカラーペロブスカイト量子ドットの応用については、細胞イメージングに限らず、様々な出口応用について広く検討する。これらと並行して、課題３で連携する医系研究室から細胞病理診断において現在最も求められている課題を学び、課題３におけるターゲットの明確化とその準備を開始する。
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| Remarks |
日経産業新聞 NextTech2030「生きた細胞を超精密診断」2020年11月6日（金曜日）掲載
日本経済新聞 電子版（NextTech2030）「生きた細胞を超精密診断 がん早期発見、光学の限界突破」2020/11/6 掲載
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[Journal Article] Upconverted emission-driven photothermal conversion with gold nanospheres based on triplet-triplet annihilation2020
Author(s)
S. Jin, K. Sugawa*, N. Takeshima, S. Igari, W. Inoue, J. Honda, S. Yoshinari, S. Watanabe, D. Kanai, K. Kanakubo, J. Otsuki
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Journal Title
Phys. Chem. Chem. Phys.
Volume: 22
Pages: 18257-18260
DOI
Peer Reviewed
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