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2021 Fiscal Year Annual Research Report

ナノバイオAIデバイスによるスーパー耐性菌出現予測システムの創出

Research Project

Project/Area Number 20H00329
Research InstitutionNagoya University

Principal Investigator

馬場 嘉信  名古屋大学, 工学研究科, 教授 (30183916)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Keywordsスーパー耐性菌 / サーベイランス / オンサイト展開 / 単一細菌センシング / 自己駆動型デバイス / 電気泳動方向 / センシングシステム開発
Outline of Annual Research Achievements

本年度では、薬剤耐性菌サーベイランスに向けて、マイクロポアを用いた単一細菌センシングをオンサイトに展開するために、1. デバイス開発と 2. センシングシステム構築に関する検討を行った。
1. では、計測溶液を自己駆動的にマイクロポア内に充填可能なデバイスを開発した。単一細菌センシングは予備的にマイクロポアを計測溶液で満たすことが必要であるが、デバイス材料の疎水性に由来してオンサイトでの溶液充填は困難である。そこで、親水性を持続可能な表面を有するデバイス開発を行い、当該表面はポリエチレングリコールによりシリコーン樹脂表面を単一ステップで修飾することで作製した。親水性表面を利用することで自己駆動的にマイクロポアが計測溶液で満たされ、マイクロポアを用いた電気計測が可能となった。モデル粒子(ポリスチレンビーズ)を対象とした計測により、乾燥状態で30日間保管したデバイスを用いてもセンシング性能に変化がないことを確認した。さらに、30日間保管したデバイスを用いて、大腸菌のサイズ解析が可能であることも実証した。
2. では、電気泳動の方向が未知の細菌サンプルでもセンシング可能なデバイス開発とシステム構築を行った。単一細菌センシングではマイクロポアまで細菌を電気泳動して計測を行うが、細菌種および同一細菌種の株間で電気泳動の方向が異なる場合があるという課題に直面した。このため、単一細菌センシングでは細菌サンプルの泳動方向が既知である必要があった。この課題を解決するために、電気的に絶縁されたマイクロポアを二つ有するデバイスを創製して、これらのポアを用いて異なる方向に電気泳動を行い、同時にセンシング可能なシステムを構築した。当該システムにより、電気泳動の方向が未知の細菌サンプルでもセンシング可能であることを実証した。また、オンサイト展開に向けて、当該システムを採用した可搬型装置の開発も行った。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

薬剤耐性菌サーベイランスの実現には、単一細菌センシングによる耐性菌解析に加えて、当該センシングをどのようにオンサイト展開するかも重要な検討事項となる。本年度では、単一細菌センシングをオンサイト展開するための 1. デバイス開発と 2. システム構築を推進した。
1. では、本研究の目指すサーベイランスはヒト感染・動物感染・環境中の耐性菌を対象とするため、単一細菌センシングをオンサイトで行うことが必須となる。可搬型のセンシングシステムだけでなく、オンサイトでハンドリング可能なマイクロポアデバイスの開発も重要な検討となる。これまでのデバイスは作製直後に使用することが前提であり、デバイス材料の特性に由来して時間経過により計測溶液をマイクロポアに充填できなくなるという課題があった。オンサイトでの単一細菌センシングは保管したデバイスの使用が想定され、自己駆動的に計測溶液を充填可能なデバイス開発が必要であった。本年度に開発したデバイスは、乾燥状態で保管してもセンシング性能を維持しており、大腸菌のサイズ解析も達成したため、センシングシステムと組み合わせることでオンサイト展開を実現することができる。
2. では、細菌種や同一細菌種の株間で電気泳動の方向が異なる場合があるという、当初想定していなかった課題に直面した。本年度では、電気的に絶縁された二つのマイクロポアを有するデバイスの開発、および各ポアの電気計測を同時に行うことができるシステムの構築を進めた。上記検討により、電気泳動の方向が未知の細菌サンプルでもセンシングができる技術を確立した。また、当該システムの装置化により、電気的に絶縁された二つのマイクロポアを同時計測することができるため、細菌サンプルのセンシングを効率的に進めることが可能である。
以上の理由から、オンサイト展開に向けたデバイス開発とシステム構築を達成したため、(2)とした。

Strategy for Future Research Activity

来年度では、今年度に構築したデバイスとシステムを用いて、単一細菌センシングを基軸とする細菌種・薬剤耐性を一気通貫して解析可能なプラットフォームの構築を進める。
まず、スーパー耐性菌(緑膿菌と大腸菌、アシネトバクター)の感受性株と薬剤耐性株をモデルとして、細菌種と薬剤耐性に関する検討をそれぞれ進める。細菌種では、各株の電気泳動方向とシグナル特徴量に関するデータを収集して、機械学習のモデル構築を進める。また、進捗状況に応じて、他の重要細菌(メチシリン耐性黄色ブドウ球菌)への展開も行う。薬剤耐性では、イミペネム(β-ラクタム系)やアミカシンなどを中心に、抗菌薬刺激に対する各株の応答を解析する。その際、抗菌薬刺激の条件(e.g., 抗菌薬濃度や刺激時間)に対する応答が細菌種によって異なるのかどうかも明らかにする。抗菌薬刺激の前後によるシグナル特徴量の変化を定量的に評価する指標(e.g., 特徴量分布の重なり度合い)を用いて、薬剤耐性の評価を進める。
上記検討ののち、細菌種・薬剤耐性を一気通貫して解析可能なプラットフォームを構築する。本プラットフォームでは、(1)サンプルに含まれる細菌の検出、(2)単一シグナルの機械学習により推定した細菌種に基づく候補抗菌薬の選定、(3)候補抗菌薬に対する薬剤耐性の解析を行うことを目指す。以上の検討を通じて、薬剤耐性菌サーベイランスを実現する技術基盤構築を行い、スーパー耐性菌の出現予測への展開を進める。

  • Research Products

    (39 results)

All 2022 2021 Other

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 1 results) Presentation (32 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 10 results) Book (3 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Fabrication of a Robust In2O3 Nanolines FET Device as a Biosensor Platform2021

    • Author(s)
      Zhu Zetao、Yasui Takao、Liu Quanli、Nagashima Kazuki、Takahashi Tsunaki、Shimada Taisuke、Yanagida Takeshi、Baba Yoshinobu
    • Journal Title

      Micromachines

      Volume: 12 Pages: 642~642

    • DOI

      10.3390/mi12060642

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] ANALYZING PARTICULATE MATTERS VIA SURFACTANT-ASSISTED MICROFLUIDIC IONIC CURRENT SENSING WITH MACHINE LEARNING-DRIVEN IDENTIFICATION2021

    • Author(s)
      Keiko Fujino, Taisuke Shimada, Takao Yasui, Kazuki Nagashima, Takashi Yanagida, Noritada Kaji, Yoshinobu Baba
    • Journal Title

      MicroTAS 2021

      Volume: - Pages: 1481, 1482

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] デジタル・トランスフォーメーションで変わる医療:ナノバイオデバイス、量子科学技術とAIが拓く未来医療2021

    • Author(s)
      有馬彰秀、馬場嘉信
    • Journal Title

      Pharm Tech. Japan

      Volume: 37(5) Pages: 85~90

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 捕集デバイスのバイオエアロゾル解析に向けた浮遊細菌捕集デバイスの開発2022

    • Author(s)
      河合貴哉, 小野島大介, 湯川博, 野平幸佑, 閔弘圭, 馬場嘉信
    • Organizer
      日本化学会第102回春季年会
  • [Presentation] ナノテクノロジーとライフサイエンスの融合2022

    • Author(s)
      馬場嘉信
    • Organizer
      JST CRDS俯瞰ワークショップ ライフサイエンスとナノテク・材料の融合により拓く新領域
    • Invited
  • [Presentation] マイクロポアによる薬剤刺激応答の解析と耐性識別2022

    • Author(s)
      井上健太郎, 嶋田泰佑, 安井隆雄, 山崎聖司, 西野邦彦, 馬場嘉信
    • Organizer
      日本化学会第102回春季年会
  • [Presentation] マイクロポアによる生物/非生物粒子の網羅的な電流センシングと粒子識別2021

    • Author(s)
      藤野慶子, 嶋田泰佑, 安井隆雄, 長島一樹, 柳田剛, 加地範匡, 馬場嘉信
    • Organizer
      第41回キャピラリー電気泳動シンポジウム
  • [Presentation] 微小粒子状物質における生物/非生物粒子の網羅的センシングとAI解析による粒子識別2021

    • Author(s)
      藤野慶子, 嶋田泰佑, 安井隆雄, 長島一樹, 柳田剛, 加地範匡, 馬場嘉信
    • Organizer
      化学とマイクロ・ナノシステム学会 第44回研究会 (Chminas44)
  • [Presentation] 生物/非生物粒子の網羅的センシングとAI波形解析に基づく粒子分類2021

    • Author(s)
      藤野慶子, 嶋田泰佑, 安井隆雄, 長島一樹, 柳田剛, 加地範匡, 馬場嘉信
    • Organizer
      第52回 中部化学関係学協会支部連合秋季大会
  • [Presentation] マイクロポアによる生物/非生物粒子の網羅的センシングと粒子識別2021

    • Author(s)
      藤野慶子, 嶋田泰佑, 安井隆雄, 長島一樹, 柳田剛, 加地範匡, 馬場嘉信
    • Organizer
      第41 回キャピラリー電気泳動シンポジウム (SCE2021)
  • [Presentation] 界面活性とマイクロポアを利用した微粒子センシング2021

    • Author(s)
      藤野慶子, 嶋田泰佑, 安井隆雄, 長島一樹, 柳田剛, 加地範匡, 馬場嘉信
    • Organizer
      第81回分析化学討論会
  • [Presentation] マイクロポアによる単一細菌センシングと薬剤耐性の識別2021

    • Author(s)
      嶋田泰佑, 安井隆雄, 井上健太郎, 吉川碧海, 山崎聖司, 西野邦彦, 馬場嘉信
    • Organizer
      第41 回キャピラリー電気泳動シンポジウム (SCE2021)
  • [Presentation] 小型ドローンを用いた屋内PM2.5に対するサンプリング計測技術の開発2021

    • Author(s)
      小野島大介, 佐藤僚佑, 湯川博, 野平幸佑, 閔. 弘圭, 馬場嘉信
    • Organizer
      第38回エアロゾル科学技術研究討論会(JAAST38)
  • [Presentation] マイクロポアデバイスを用いたイオン電流計測に基づく単一細胞の特性評価2021

    • Author(s)
      山内晴加, 有馬彰秀, 筒井真楠, 安井隆雄, 嶋田泰佑, 湯川博, 小野島大介, 馬場嘉信
    • Organizer
      第41回キャピラリー電気泳動シンポジウム
  • [Presentation] マイクロポアデバイスを用いた1細胞の電気的捕捉による状態評価2021

    • Author(s)
      山内晴加, 有馬彰秀, 筒井真楠, 安井隆雄, 嶋田泰佑, 湯川博, 小野島大介 and 馬場嘉信
    • Organizer
      化学とマイクロ・ナノシステム学会第44回研究会
  • [Presentation] マイクロポアデバイスを用いた1細胞の電気的捕捉による識別と分離2021

    • Author(s)
      山内晴加, 有馬彰秀, 安井隆雄, 嶋田泰佑, 湯川博, 小野島大介 and 馬場嘉信
    • Organizer
      2021年 第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] 抗菌薬刺激と単一細菌検出による薬剤耐性の識別2021

    • Author(s)
      吉川碧海, 嶋田泰佑, 安井隆雄, 長島一樹, 山崎聖司, 西野邦彦, 柳田剛 and 馬場嘉信
    • Organizer
      令和3年度 E部門総合研究会
  • [Presentation] 抗菌薬刺激細菌の単一センシングによる電気的耐性識別2021

    • Author(s)
      吉川碧海, 嶋田泰佑, 安井隆雄, 長島一樹, 山崎聖司, 西野邦彦, 柳田剛 and 馬場嘉信
    • Organizer
      日本分析化学会第70年会
  • [Presentation] 捕集デバイスのバイオエアロゾル解析に向けた浮遊細菌捕集デバイスの開発2021

    • Author(s)
      河合貴哉, 小野島大介, 湯川博, 野平幸佑, 閔弘圭, 馬場嘉信
    • Organizer
      化学とマイクロ・ナノシステム学会第44回研究会
  • [Presentation] 捕集デバイスのバイオエアロゾル解析に向けた浮遊細菌捕集デバイスの開発2021

    • Author(s)
      河合貴哉, 小野島大介, 湯川博, 野平幸佑, 閔弘圭, 馬場嘉信
    • Organizer
      第38回エアロゾル科学・技術研究討論会
  • [Presentation] 捕集デバイスのバイオエアロゾル解析に向けた浮遊細菌捕集デバイスの開発2021

    • Author(s)
      河合貴哉, 小野島大介, 湯川博, 野平幸佑, 閔弘圭, 馬場嘉信
    • Organizer
      第52回 中部化学関係学協会支部連合秋季大会
  • [Presentation] 単一細菌計測による薬剤刺激応答の解析と耐性識別2021

    • Author(s)
      井上健太郎, 嶋田泰佑, 安井隆雄, 山崎聖司, 西野邦彦, 馬場嘉信
    • Organizer
      第6回ナノ分析化学討論会
  • [Presentation] Analyzing particulate matters via surfactant-assisted microfluidic ionic current sensing with machine learning-driven identification2021

    • Author(s)
      K. Fujino, T. Shimada, T. Yasui, K. Nagashima, T. Yanagida, N. Kaji, Y. Baba
    • Organizer
      The 25th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (MicroTAS 2021)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 2100年のマイクロ・ナノフルイディクス2021

    • Author(s)
      馬場嘉信
    • Organizer
      化学とマイクロ・ナノシステム学会第43回研究会
    • Invited
  • [Presentation] ナノバイオデバイス・AI・量子技術が拓く未来医療2021

    • Author(s)
      馬場嘉信
    • Organizer
      ナノ学会第19回大会
    • Invited
  • [Presentation] Solid-State Nanopore Platform Integrated with Machine-Learning for Digital Diagnosis of Virus Infection2021

    • Author(s)
      Y. Baba
    • Organizer
      ACS Publications Symposium: Innovation in Measurement Science
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] ナノバイオデバイス・AI・量子技術が拓く未来医療2021

    • Author(s)
      馬場嘉信
    • Organizer
      東名産学官・医連携研究会
    • Invited
  • [Presentation] ナノバイオデバイス、量子技術とAIが拓く未来医療2021

    • Author(s)
      馬場嘉信
    • Organizer
      日本学術振興会R031「ハイブリッド量子ナノ技術委員会」
    • Invited
  • [Presentation] ナノバイオデバイス・AI・量子技術によるバイオ計測化学・バイオ医工学の革新2021

    • Author(s)
      馬場嘉信
    • Organizer
      名古屋大学技術部特別講演会および技術部研修報告会
    • Invited
  • [Presentation] Chemical and Biological Measurements in Micro- and Nanofluidic Systems2021

    • Author(s)
      Y. Baba
    • Organizer
      Pacifichem 2021
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] ナノバイオデバイスを用いた単一生体粒子検出2021

    • Author(s)
      有馬彰秀, 筒井真楠, 吉田剛, 横田一道, 立松健司, 山﨑智子, 黒田俊一, 谷口正輝, 鷲尾隆, 川合知二, 馬場嘉信
    • Organizer
      応用物理学会 有機分子・バイオエレクトロニクス分科会 研究会 「時代を切り拓く有機分子・バイオエレクトロニクス研究」(応用物理学会M&BE研究会)
  • [Presentation] ナノバイオデバイスによるイオン電流計測に基づく単一粒子分析法の開拓2021

    • Author(s)
      有馬彰秀
    • Organizer
      第52回 中部化学関係学協会支部連合秋季大会,
    • Invited
  • [Presentation] マイクロポアデバイスを用いた1細胞解析に向けた基礎検討2021

    • Author(s)
      有馬彰秀, 山内晴加, 筒井真楠, 安井隆雄, 湯川博, 嶋田泰佑, 小野島大介, 馬場嘉信
    • Organizer
      日本分析化学会第70年会
  • [Presentation] 顕微観察とイオン電流計測による単一細胞の状態評価2021

    • Author(s)
      山内晴加, 有馬彰秀, 安井隆雄, 嶋田泰佑, 湯川博, 小野島大介, 馬場嘉信
    • Organizer
      第52回 中部化学関係学協会支部連合秋季大会
  • [Presentation] Nanobiodevices, Quantum Technology, and AI for Future Healthcare2021

    • Author(s)
      Y. Baba
    • Organizer
      The International Symposium on Microfluidics and BioMEMS
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Book] 先端の分析法 第2版2022

    • Author(s)
      澤田 嗣郎、小澤 岳昌、北森 武彦、中村 洋(東京理科大学名誉教授)、藤浪 眞紀、宮村 一夫、石丸 洋一郎、浦野 泰照、加地 範匡、坂 真智子、鈴木 茂、瀬藤 光利、宗林 由樹、馬場 嘉信、船津 公人、本田 暁紀、末永 智一、宮野 博、本山 晃
    • Total Pages
      1072
    • Publisher
      エヌ・ティー・エス
    • ISBN
      978-4-86043-737-4
  • [Book] 医用工学ハンドブック2022

    • Author(s)
      佐久間 一郎、秋吉 一成、津本 浩平編集
    • Total Pages
      544
    • Publisher
      エヌ・ティー・エス
    • ISBN
      978-4-86043-735-0
  • [Book] AI・ナノ・量子による超高感度・迅速バイオセンシング2021

    • Author(s)
      馬場嘉信、柳田 剛、加地範匡
    • Total Pages
      244
    • Publisher
      シーエムシー出版
    • ISBN
      978-4-7813-1609-3
  • [Remarks] 名古屋大学大学院工学研究科馬場研究室

    • URL

      https://www.chembio.nagoya-u.ac.jp/labhp/bioanal1/

URL: 

Published: 2023-12-25  

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