接着性細胞の接着ダイナミクスに対する力学光学同時計測

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K15152
• Research Institution: Toyama Prefectural University
• Principal Investigator: 塚越 拓哉 富山県立大学, 工学部, 講師 (90782920)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: MEMSセンサ / 表面プラズモン共鳴 / 細胞接着

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、接着性細胞が細胞外マトリクスに接着する際のダイナミクスを詳細に計測し、細胞が接着・移動する際の焦点接着構造（Focal Adhesion；FA）の形成と接着力発生との時間的相関を明らかにすることを目的としている。この目的を果たすために、nNオーダーの微弱な力を高い時間分解能で計測可能なMEMS力センサと、金属表面における誘電率のごくわずかな変化を捉えることのできる表面プラズモン共鳴（Surface Plasmon Resonance；SPR）を併用し、接着性細胞が基質等に接着し移動する際の物理現象を計測・解析する。
これらの目的を果たすために、シリコンウエハ上に蒸着したAu膜を用いて、シリコンウエハ裏面側から赤外光を入射し、Au膜上にSPRを励起できるようにした。通常のSPRではガラスなどの可視光に対して透明な材料を介して励起光を入射させ、その上に設けた金属薄膜上にSPRを励起させるのが一般的な構成である。しかし本研究ではSPRと同時に細胞の接着力を計測するため、細胞をシリコンデバイス上に播種することが必要になる。そこで、シリコンが赤外光に対して透明であることを利用して、赤外光をシリコンウエハの裏面から入射させて、その表面側に蒸着されたAu膜にSPRを励起させることにした。
SPRは試料の誘電率を極めて高い分解能で計測することのできる技術であるが、1回の計測に長時間を要し、誘電率の時間的変化を高速に捉えることが難しい。そこで、角度や波長を走査して反射光強度を計測するという従来の方法を大きく変え、角度・波長ともに固定した状態でSPRを電流変化としてモニタリングする方法を考案した。このとき、誘電率に対する検出感度とダイナミックレンジがトレードオフの関係になるため、これを制御するしくみを考え、機能することを確認した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究の初年度となる令和2年度は、細胞接着をSPRでモニタリングする上で大きな課題となる時間分解能の向上に取り組んだ。一般的なSPRでは励起光の入射角を走査しながら、反射光強度を計測することで、試料の誘電率を推定する。しかしこの方法では1回の計測に要する時間が長いため、誘電率（つまり細胞の接着状態）の時間的変化を捉えることが難しい。そこで私たちは、入射角を固定し、SPRの励起を電流として計測する方式を考案し、機能することをすでに実証している。この方式では、誘電率に対する検出感度とダイナミックレンジがトレードオフの関係にある。角度に対するSPRのピーク幅が狭いほど検出感度は高くなるが、その分測定可能な誘電率の範囲が狭くなるからだ。
この問題を解決するために、私たちは入射光のコリメート状態をコントロールするというアイディアを思いついた。入射光がよくコリメートされていれば角度に対してSPRは鋭いピークを示し、入射光が集光または発散していればピークは幅広くなるもの考えられる。そこで、SPR光学系にビームエキスパンダーといくつかの単レンズを導入することによって、SPRセンサへ入射する光のコリメート状態をコントロールできるようにした。また、シリコン表面に適切な濃度の不純物をドープし、その上に蒸着されるAu膜との間にショットキー障壁が形成されるようにすることで、SPRの励起を電流として検出できる構成とした。この改良されたSPRシステムでSPRを計測したところ、予想したとおり、コリメート状態に応じてSPRピークの幅が変化し、上記トレードオフを制御できることが確認された。

Strategy for Future Research Activity

SPRセンサにおいて、検出感度とダイナミックレンジの間のトレードオフがコントロールできることは確認されたものの、コントロールできる範囲は決して広くない。SPRピークの幅にして数十％の程度にとどまっている。そこでまず光学系を改良し、SPRピーク幅を数倍程度変化させられるようにしたい。次に、改良したSPRセンサ上に液体を接触させられるような容器や治具を設計・作製し、計測用セットアップを構築する。最初は水に対してSPR電流を計測しながら、エタノールや塩などを加えることによって水の誘電率をわずかに変化させたときに、SPR電流の変化が検出できることを確認する。
改良型SPRセンサが機能することが確認されたら、試料溶液を培地にしても大きなノイズが発生しないかどうかをチェックし、必要に応じて絶縁などの対策を講じる。そして、実際に細胞を播種して、Au膜上に接着することを確認し、SPRの計測へ進む。細胞接着がうまくいかない場合には、フィブロネクチンなどの接着タンパクを塗布するなどの対策を講じる。この段階で細胞接着のプロセスを把握しておくために、培地組成や温度などの培養条件を変えてSPR信号のデータを蓄積しておくことも重要だと考えている。
細胞接着のプロセスをSPRセンサで計測できるようになったら、最終形としてSPRセンサに力測定機能を実装し、SPRと力との同時計測に挑戦する。力測定機能は、シリコンウエハをSOIウエハに置き換え、細胞接着部分を裏からエッチングして薄膜状にすることで実現する。力測定機能を担うことや励起光をうまくAu膜へ到達させることを考えて、最終的なデバイスデザインを具現化することが重要である。