2020 Fiscal Year Annual Research Report
In-vivo sub-cellular thermometry for quantitative thermal biology
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20H00335
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| Research Institution | Osaka City University |
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Principal Investigator |
藤原 正澄 大阪市立大学, 大学院理学研究科, 講師 (30540190)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松原 勤 大阪市立大学, 大学院医学研究科, 准教授 (20628698)
中台 枝里子 (鹿毛枝里子) 大阪市立大学, 大学院生活科学研究科, 教授 (40453790)
鹿野 豊 慶應義塾大学, 理工学研究科(矢上), 特任准教授 (80634691)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 温度計測 / 熱計測 / 細胞機能 / 生体機能 / ナノダイヤモンド |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、生物個体内の温度を細胞レベルの空間分解能で捉えるリアルタイム３次元温度計測顕微鏡を開発し、温度にもとづく生命活動の定量化を実現することを目的としている。今年度は、申請者らが開発したダイヤモンド量子ナノセンシング技術をモデル生物である線虫（C. elegans）に適用した研究の追加実験を行い、最終的に成果をScience Advances誌に発表した。また、温度センシングにおいて励起光強度依存性のアーティファクトが観測されていたが、その原因が蛍光NDの新奇な物性に由来していることを解明し、成果をPhysical Review Research誌に発表した。この新奇物性はアンサンブルNV中心が利用される微弱光領域でのみ現われる現象であり、蛍光NDの量子センシングにとって今後重要となると考えられる。また、温度計測技術の二次元光検出への展開においては、超高感度CCDカメラを用いた計測システムを構築した。カメラを用いた場合と光子検出器を用いた場合の温度測定感度を定量的に比較し、検出光子レートが決まれば、どちらの検出機を用いても同等の感度が得られる事を解明した。この検出技術に関する成果はScientific Reports誌に掲載された。さらに、蛍光NDを線虫に効率よく導入する実験にも取りかかった。蛍光ND表面の化学修飾状態を変化させた複数の蛍光NDを準備した。これらの蛍光NDは培養細胞への取り込み効率が上昇することを確認できたが、線虫への経口投与においては、線虫培地内で蛍光NDが凝集するなどの現象が見られ、現在、ラベリングの効率化には成功していない。今後、様々な可能性を検証していくことが必要であることが分かった。
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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
今年度は、本研究の成果を学術論文4報に発表することができた。それぞれの論文が、Science Advances, Nanoscale Advances, Physical Review Research, Scientific Reports誌に掲載されたことから予想を上回る進展を見せたと言える。一方、コロナ禍の影響で、蛍光NDを線虫に効率よく導入するための実験など、特に生物試料を用いた実験は遅れることとなった。これらのことから、全体としてはおおむね順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は次の2点について研究・開発を実施する。
①広視野・３次元・高速化技術・局所加熱技術の実装：今年度、蛍光ナノダイヤモンドスピン測定の広視野化を実現したが、測定速度がまだ遅いために、高速化と広視野化の両立を測るシステム修正を行う。これには、カメラからの測定データを高速にデータ処理する技術が必要であり、昨年度導入したソフトウェアシステムをベースに開発を行う。また、線虫の動きを画像追跡するために、正確なトラッキングができるようなプログラミングを行う。局所加熱に関しては、近赤外レーザー励起光学経路をシステムに導入する。局所加熱においては一点加熱だけではなく、空間的な形状パターンに沿って加熱できるようにするため、顕微光学系の改変を行う。システムの動作実証は、ガラス基板上に固定したダイヤモンドを意図的に動かして、生物試料の動きを模倣した擬似条件研究を行ったのちに、実際の線虫や細胞を対象にして行う。
②線虫のナノダイヤモンドラベリングプロトコル：一度に多くの線虫に対して蛍光NDをラベリングできる経口摂取法を引き続き研究する。今年度の研究で、培養細胞においては蛍光NDの導入効率がNDの表面状態に大きく依存することが明らかとなった。この中で、細胞内取り込み量が最も大きい表面状態が線虫にも有効であると考えられるが、線虫培地においては蛍光NDが凝集するという問題が発生しており、培地成分などを丁寧に検証する予定である。また、本研究に専従する博士研究員も4月より雇用開始となっており、研究を推進できると期待できる。
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[Journal Article] Wide-field fluorescent nanodiamond spin measurements toward real-time large-area intracellular thermometry2021
Author(s)
Yushi Nishimura, Keisuke Oshimi, Yumi Umehara, Yuka Kumon, Kazu Miyaji, Hiroshi Yukawa, Yutaka Shikano, Tsutomu Matsubara, Masazumi Fujiwara, Yoshinobu Baba, Yoshio Teki
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Journal Title
Scientific Reports
Volume: 11
Pages: 4248
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] A quantum thermometric sensing and analysis system using fluorescent nanodiamonds for the evaluation of living stem cell functions according to intracellular temperature2020
Author(s)
Hiroshi Yukawa, Masazumi Fujiwara, Kaori Kobayashi, Yuka Kumon, Kazu Miyaji, Yushi Nishimura, Keisuke Oshimi, Yumi Umehara, Yoshio Teki, Takayuki Iwasaki, Mutsuko Hatano, Hideki Hashimoto and Yoshinobu Baba
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Journal Title
Nanoscale Advances
Volume: 2
Pages: 1859-1868
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Real-time nanodiamond thermometry probing in vivo thermogenic responses2020
Author(s)
Masazumi Fujiwara, Simo Sun, Alexander Dohms, Yushi Nishimura, Ken Suto, Yuka Takezawa, Keisuke Oshimi, Li Zhao, Nikola Sadzak, Yumi Umehara, Yoshio Teki, Naoki Komatsu, Oliver Benson, Yutaka Shikano, Eriko Kage-Nakadai
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Journal Title
Science Advances
Volume: 6
Pages: eaba9636
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Presentation] Real-time nanodiamond thermometry probing in vivo thermogenic responses2021
Author(s)
Masazumi Fujiwara, Simo Sun, Alexander Dohms, Yushi Nishimura, Ken Suto, Yuka Takezawa, Keisuke Oshimi, Li Zhao, Nikola Sadzak, Yumi Umehara, Yoshio Teki, Naoki Komatsu, Oliver Benson, Yutaka Shikano, and Eriko Kage-Nakadai
Organizer
SPIE Photonics West 2021
Int'l Joint Research
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[Presentation] 生体内リアルタイム蛍光ナノダイヤモンド温度計測2020
Author(s)
藤原正澄, Simo Sun, Alexander Dohms, 西村勇姿, 首藤 健, 竹澤有華, 押見佳裕, Li Zhao, Nikola Sadzak, 梅原有美, 手木芳男, 小松直樹, Oliver Benson, 鹿野 豊, 中台枝里子
Organizer
量子情報技術研究会（QIT）
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[Presentation] 生体内リアルタイム蛍光ナノダイヤモンド温度計測2020
Author(s)
藤原 正澄, Sun S, Dohms A, 西村 勇姿, 首藤 健, 竹澤 有華, 押味 佳裕, Zhao L, Sadzak N, 梅原 有美, 手木 芳男, 小松 直樹, Benson O, 鹿野 豊, 中台 枝里子
Organizer
第81回応用物理学会秋季学術講演会
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[Presentation] 生体内リアルタイム蛍光ナノダイヤモンド温度計測2020
Author(s)
藤原 正澄, Simo Sun, Alexander Dohms, 西村 勇姿, 首藤 健, 竹澤 有華, 押味 佳裕, Li Zhao, Nikola Sadzak, 梅原 有美, 手木 芳男,小松 直樹, Oliver Benson, 〇鹿野 豊, 中台 枝里子
Organizer
第43回量子情報技術研究会
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[Presentation] Real-time Nano diamond thermometry probing in-vivo thermogenic responses2020
Author(s)
Masazumi Fujiwara, Simo Sun, Alexander Dohms, Yushi Nishimura, Ken Suto, Yuka Takezawa, Keisuke Oshimi, Li Zhao, Nikola Sadzak, Yumi Umehara, Yoshio Teki, Naoki Komatsu, Oliver Benson, 〇Yutaka Shikano, Eriko Kage-Nakadai
Organizer
1st Conference on Zero and Ultra Low Field (ZULF) NMR
Int'l Joint Research
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