2020 Fiscal Year Research-status Report
AFMおよびイオン電流計測の統合に基づく創薬標的イオンチャネル解析システムの開拓
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20K15153
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
杉浦 広峻 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (10844805)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | MEMS / microTAS / 膜タンパク / AFM / 水晶振動子 / 脂質二重膜 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，AFMおよびイオン電流計測の統合にもとづく創薬標的イオンチャネルの解析システムを開拓する．近年，in-vitro系に細胞膜環境を再現することで，創薬標的となるイオンチャネルを評価するスクリーニング手法が発達している．しかしながら，実験プロトコルやイオンチャネルの動態そのものに不確定性が大きく，光学顕微鏡による観察も難しいことから，実験の正確性，再現性の向上が課題となっている．そこで， (I)環状配置電極によりイオンチャネルの存在位置を探索する機構，(II)原子間力顕微鏡（AFM）によりイオンチャネルの状態を可視化する機構を統合した新手法を提案する．これにより，偽陽性検出リスクの抑制や，複雑なイオンチャネルの動態解析が可能となる．これは，とりわけ化学受容性評価に正確性を要するイオンチャネル創薬の領域で 必要不可欠な基盤技術となる．
本研究を実行するにあたり，(i) 微細加工技術を用いたイオンチャネル解析チップの実現， (ii), 環状配置電極を用いたイオンチャネルの脂質膜上の位置探索技術の実現，(iii), 液中AFMの実装によるイオンチャネルの構造，動態の可視化の実現が必要であった．このうち，微細加工技術を用いたイオンチャネル解析チップについては，そのプロトタイプを作成し，またAFMの計測実装に極めて適合しやすい脂質二重膜の形成方法を報告している．AFMによるイオンチャネルの撮像については，液中で高感度な力スキャナシステムが必要であるため，水晶カンチレバー式のフォースプローブを新たに検討し，基礎性能を実証評価した．環状配置電極を用いたイオンチャネルの脂質膜上の位置探索技術の実現についてはFEMなどのシミュレーションをすすめており，最適設計が固まり次第実装を進め，科学的知見を得ていく．
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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
当初の計画では(i) 微細加工技術を用いたイオンチャネル解析チップの実現， (ii), 環状配置電極を用いたイオンチャネルの脂質膜上の位置探索技術の実現，(iii), 液中AFMの実装によるイオンチャネルの構造，動態の可視化の実現が必要であった．このうち，微細加工技術を用いたイオンチャネル解析チップについては，そのプロトタイプを作成し，またAFMの計測実装に極めて適合しやすい脂質二重膜の形成方法を報告している．これは，ガラス製のマイクロチャンバ機構を用いて脂質二重膜を形成するものであって，膜面積φ100 um以下の脂質二重膜を周辺環境にオイルを介在させずに形成する方法である，膜形成の再現性や高速性に優れ，更に誘電泳動力を用いてイオンチャネルを膜ドメインに高速導入可能なものである．AFMによるイオンチャネルの撮像については，液中で高感度な力スキャナシステムが必要であるため，水晶カンチレバー式のフォースプローブを新たに検討し，基礎性能を実証評価した．現時点では，水晶振動子の感度を用いてなお，検出精度がAFMを撮像するには十分ではないが，近年報告されているモード局在化センサとして更に発展させることで，実用上十分程度のプローブとなる可能性を検討できている．環状配置電極を用いたイオンチャネルの脂質膜上の位置探索技術の実現についてはFEMなどのシミュレーションをすすめており，最適設計が固まり次第実装を進める．現時点では，４系統のTZアンプによる自動平衡ブリッジ機能の実装が進んでいるが，膜ドメインにおける推定位置の誤差範囲が大きすぎたため，GND側の電極配置を変更したパターンなどを模索中である．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後も引き続き当初の研究計画を踏襲する予定である．微細加工技術を用いたイオンチャネル解析チップについては，イオンチャネルをホストする膜形成技術を安定化させることに成功し，またイオンチャネルの導入を高速化する技術を確立したので，今後はさらに，オンチャネルに外界から阻害薬剤などを安定的に供給できる還流機構などについて追加検討を行う．AFMによるイオンチャネルの撮像については，液中で高感度な力スキャナシステムが必要であるため，水晶カンチレバーのモード局在化センサとして更に発展させることで，実用上イオンチャネルの構造をスキャンするのに十分程度のプローブとする技術を開拓する．既報のモード局在化センサでは，10～100倍の感度向上が見られているため，同等の性能上昇を期待している．環状配置電極を用いたイオンチャネルの脂質膜上の位置探索技術の実現についてはFEMなどのシミュレーションをすすめており，最適設計を勧めていく．
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