2020 Fiscal Year Annual Research Report
神経細胞機能の超解像解析に向けたナノ電気化学発光イメージング基盤の創成
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19J20709
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
岩間 智紀 東北大学, 環境科学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2019-04-25 – 2022-03-31
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| Keywords | バイオイメージング / 電気化学 / 電気化学イメージング / バイポーラ電極 / 電気化学発光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、高時空間分解能イメージングを実現し生命科学研究、特に神経科学分野に寄与する新規生体分子イメージングシステム「バイポーラ電気化学顕微鏡」の開発を行っている。バイポーラ電気化学顕微鏡は、配線不要な分子定量システム「バイポーラ電極（BPE）/電気化学発光」を密に並べることで、BPEアレイを基盤とした電気化学発光シグナルによるサンプル分子のイメージングを行う。今年度は「導体ペースト塗り込み法」によるBPEアレイの作製方法の確立、Thermal drawing法を用いたBPEアレイの作製および拡大イメージングの達成、cathodicルミノフォアを用いたドーパミンのイメージングを達成した。
導体ペースト塗り込み法は、多孔膜にカーボンなどの導体ペーストを塗り込み充填させ硬化させることでBPEアレイを作製する手法である。この手法は従来の作製方法よりもシンプルかつ簡便であり、今後の発展を加速させる可能性を秘めている。この手法により直径10μmの孔が15μmピッチで配列したBPEアレイの作製を実現した。現在は硬化条件の最適化を行っている。
Thermal drawing法は、熱可塑性材料を加熱伸長することによりファイバ状の構造を作製する手法である。この手法を用いてファイバ状のBPEアレイの作製に成功し、スケーラブルな作製方法の確立を実現した。さらにthermal drawing法を応用することで、先端がテーパーされたBPEアレイの作製に成功し、小さい領域を拡大された電気化学発光シグナルとしてイメージングする拡大イメージングを達成した。（拡大率4.7倍）
また、従来のルミノフォアと異なり還元反応により発光を生じる「cathodic ルミノフォア」を本イメージングシステムに組み込み、これまで不可能だったドーパミンのイメージングを達成し、分析可能な分子の拡張を行った。
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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
現時点において、バイポーラ電気化学顕微鏡の基盤となるバイポーラ電極（BPE）アレイ作製方法の確立と高時空間分解能イメージングの達成、さらにバイオイメージング（癌細胞塊の呼吸活性評価）への応用を達成している。更に今年度において、BPEアレイの簡単な作製法の確立（導体ペースト塗り込み法）を確立させつつある他、テーパーした構造のバイポーラ電極アレイの作製方法の確立およびそれを用いた拡大イメージングを達成していることから、本研究はおおむね順調に進展していると言える。またcathodicルミノフォアを本イメージングシステムに組み込み、主要な神経伝達物質のひとつであるドーパミンをイメージングする試みは当初予定していなかったが、検討の結果良好な知見が得られ、簡易型のBPEアレイを用いたドーパミンイメージングを達成した。現在はcathodicルミノフォアの改良を行い、よりノイズの少ない高空間分解能イメージングに向けて検討を行っている。
しかし当初において予定していたナノ液滴を用いたBPEアレイ上への酵素修飾は達成できていない。これはBPEアレイの作製に大きく労力がかかり、酵素修飾をはじめとした種々の検討が滞っていたことが主な原因である。そのため、シンプルかつ簡便なBPEの作製手法が求められており、現在導体ペースト塗り込み法の最適化を急いでいる。また酵素修飾BPEアレイを用いた神経伝達物質のイメージングも未達であり、現在モデル系への酵素修飾条件の最適化を行いながら、BPEアレイ上への酵素修飾の検討を進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後はこれまでの検討結果を基に、バイポーラ電気化学顕微鏡による生体分子イメージング、バイオイメージングへの応用を行っていく。
前年度はCathodicルミノフォアを本イメージングシステムに用いることにより、主要神経伝達物質のひとつであるドーパミンのイメージングのデモンストレーションに成功した。今後は高密度バイポーラ電極（BPE）アレイを用いて、より高い空間分解能でのドーパミンイメージングを目指すほか、神経細胞サンプル（PC-12等）の放出するドーパミンをイメージングするバイオイメージングへの応用を目指す。
また導体ペースト塗り込み法により作製した高密度BPEアレイに酵素修飾を施し、生体分子のイメージングの達成を目指す。酵素修飾方法として、導体ペーストに練り込む手法やBPEアレイ表面に乾燥させる手法を検討する。目標としては、神経細胞間のエネルギー代謝分子と言われているグルコース、乳酸のイメージングを目指す。生体分子イメージングの達成の後、生体サンプル（神経細胞等）から放出されるグルコース、乳酸のイメージングに向けた検討を行う。
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