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2022 Fiscal Year Annual Research Report

ナノワイヤに基づく細胞外小胞の層別化法の創出と疾病診断への展開

Research Project

Project/Area Number 21H01960
Research InstitutionNagoya University

Principal Investigator

安井 隆雄  名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (00630584)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2024-03-31
Keywordsナノワイヤ / 細胞外小胞 / microRNA / 膜タンパク質
Outline of Annual Research Achievements

本研究課題では、これまでに申請者が開発してきたナノ空間制御による細胞外小胞の捕捉技術とmicroRNA解析技術を進展させ、細胞外小胞の直径・膜タンパク質に表面電荷を加えた層別化法の創出と、層別化される細胞外小胞に内包されるmicroRNAのpathway解析による細胞内機能の顕在化を行う。細胞外小胞は、生物学的な生命現象において重要性が認知され、世界中で研究が推進されているが、これまでに報告されている研究手法では捕捉効率が低く、一部の細胞外小胞を層別化することに止まっていた。本提案では、申請者独自の細胞外小胞の網羅的捕捉技術に、直径・膜タンパク質・表面電荷に基づく層別化技術を付与し、また、層別化する細胞外小胞に内包されるmicroRNAの機能情報を解析することで、これまで未踏であった “層別化細胞外小胞の学理に基づく疾病診断への展開” を世界に先駆けて実現する。本研究では、網羅的捕捉技術に層別化技術を付与し、既存技術の “一部の細胞外小胞の層別化” では見出すことが限定的であった、細胞外小胞の学理探求と疾病診断への展開を行った。本年度は、ナノワイヤの直径の肥大化やナノワイヤ作製時の溶媒の界面力によるナノワイヤ間隔の制御により、細胞外小胞のサイズに基づく層別化を行った。ナノワイヤの直径の肥大化とナノワイヤ間隔の制御は原子層堆積装置を用いた。原子層堆積装置では、供給元素と酸素元素の交互導入と反応を繰り返すことで、原子1層レベルでの膜厚制御が可能であった。その性質を利用し、各種酸化物の成膜厚を制御して、ナノワイヤの間隔を原子層スケールで制御することに成功した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本研究では、網羅的捕捉技術に層別化技術を付与し、既存技術の “一部の細胞外小胞の層別化” では見出すことが限定的であった、細胞外小胞の学理探求と疾病診断への展開を行った。本年度は、ナノワイヤの直径の肥大化やナノワイヤ作製時の溶媒の界面力によるナノワイヤ間隔の制御により、細胞外小胞のサイズに基づく層別化を行った。ナノワイヤの直径の肥大化では、原子層堆積装置の成膜サイクル数を制御することで、表面の膜厚を原子層レベルで制御し、ナノワイヤ間隔の制御を行った。原子層堆積装置では、供給元素と酸素元素の交互導入と反応を繰り返すことで、原子1層レベルでの膜厚制御が可能であり、各種酸化物の成膜厚を制御して、ナノワイヤの間隔を原子層スケールで制御した。昨年度までの研究において、原子層堆積装置のサイクル数を変化させ、ZnO/SiO2のコアシェルナノワイヤの直径を変化させることに成功している。また、今回用いているナノワイヤはアスペクト比が大きいため、乾燥時の溶媒の界面力によってナノワイヤの形が変形することが確認された。その形態上の性質を利用し、溶媒の界面力の大きさや乾燥時間によるナノワイヤ間隙の制御が可能であった。原子層堆積装置でナノワイヤの直径と表面の材料を制御し、その後、溶媒の界面力と乾燥時間によるナノワイヤの形の変形によって、ナノワイヤの間隙の制御を達成した。これら技術によって作り出したナノワイヤを用い、ナノワイヤ間隔へ入り込むことが可能な細胞外小胞のサイズによる層別化を達成したことより、当初の計画以上に進展しているとした。

Strategy for Future Research Activity

今後は、膜タンパク質の凹凸表面を原子層堆積装置によるナノワイヤ表面への作製による形に応じた吸着による膜タンパク質分級や、膜タンパク質のアミノ酸配列と酸化物の相互作用による膜タンパク質分級を行い、細胞外小胞の膜タンパク質に基づく層別化を達成する。本年度までの研究において、原子層堆積装置のサイクル数を変化させ、ZnO/SiO2のコアシェルナノワイヤの直径を変化させることや、ナノワイヤ間隔の制御、ZnO/Al2O3などの酸化物に応じた吸着様式の変化などを確認している。また、今回用いているナノワイヤはアスペクト比が大きいため、乾燥時の溶媒の界面力によってナノワイヤの形が変形することにより、ナノワイヤの間隙の制御とサイズによる層別化も達成できている。最終年度では、酸化物自体の特徴に合わせ、ナノワイヤの間隙制御によるサイズ分離、さらには、特徴的な膜タンパク質の捕捉を組み合わせ、細胞外小胞の層別化を実施する。また、層別化する細胞外小胞に内包されるmicroRNAの機能情報を解析することで、これまで未踏であった “層別化細胞外小胞の学理に基づく疾病診断への展開” を世界に先駆けて実現する。

  • Research Products

    (18 results)

All 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (3 results) Presentation (12 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 12 results) Patent(Industrial Property Rights) (2 results)

  • [Int'l Joint Research] KMITL(タイ)

    • Country Name
      THAILAND
    • Counterpart Institution
      KMITL
  • [Journal Article] All-in-One Nanowire Assay System for Capture and Analysis of Extracellular Vesicles from an <i>ex Vivo</i> Brain Tumor Model2023

    • Author(s)
      Chattrairat Kunanon、Yasui Takao、Suzuki Shunsuke、Natsume Atsushi、Nagashima Kazuki、Iida Mikiko、Zhang Min、Shimada Taisuke、Kato Akira、Aoki Kosuke、Ohka Fumiharu、Yamazaki Shintaro、Yanagida Takeshi、Baba Yoshinobu
    • Journal Title

      ACS Nano

      Volume: 17 Pages: 2235~2244

    • DOI

      10.1021/acsnano.2c08526

  • [Journal Article] Breath odor-based individual authentication by an artificial olfactory sensor system and machine learning2022

    • Author(s)
      Jirayupat Chaiyanut、Nagashima Kazuki、Hosomi Takuro、Takahashi Tsunaki、Samransuksamer Benjarong、Hanai Yosuke、Nakao Atsuo、Nakatani Masaya、Liu Jiangyang、Zhang Guozhu、Tanaka Wataru、Kanai Masaki、Yasui Takao、Baba Yoshinobu、Yanagida Takeshi
    • Journal Title

      Chemical Communications

      Volume: 58 Pages: 6377~6380

    • DOI

      10.1039/d1cc06384g

  • [Journal Article] Non-competitive fluorescence polarization immunosensing for CD9 detection using a peptide as a tracer2022

    • Author(s)
      Takahashi Kazuki、Chida Shunsuke、Suwatthanarak Thanawat、Iida Mikiko、Zhang Min、Fukuyama Mao、Maeki Masatoshi、Ishida Akihiko、Tani Hirofumi、Yasui Takao、Baba Yoshinobu、Hibara Akihide、Okochi Mina、Tokeshi Manabu
    • Journal Title

      Lab on a Chip

      Volume: 22 Pages: 2971~2977

    • DOI

      10.1039/d2lc00224h

  • [Presentation] 臨床検体を用いたエクソソーム由来のmiRNAの解析2023

    • Author(s)
      安井隆雄
    • Organizer
      藤田医科大学医学部 消化器内科大学院セミナー
    • Invited
  • [Presentation] ナノデバイスによる細胞外小胞研究のフロンティア開拓2023

    • Author(s)
      安井隆雄
    • Organizer
      RC-52 第70 回 バイオ・マイクロ・ナノテク研究会
    • Invited
  • [Presentation] ナノワイヤアレイによる細胞外小胞のデジタル解析2023

    • Author(s)
      安井隆雄
    • Organizer
      令和5年電気学会全国大会
    • Invited
  • [Presentation] Nanowire devices for extracellular vesicle analysis2023

    • Author(s)
      Takao Yasui
    • Organizer
      Biomedical Engineering Challenges toward Intractable Diseases
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] リキッドバイオプシーと病気の予兆2022

    • Author(s)
      安井隆雄
    • Organizer
      第15回予兆学研究会
    • Invited
  • [Presentation] ナノデバイスを使った細胞外小胞の解析によるリキッドバイオプシーへの展開2022

    • Author(s)
      安井隆雄
    • Organizer
      日本分析化学会第71年会
    • Invited
  • [Presentation] 大気中のバイオエアロゾルの濃縮・検出2022

    • Author(s)
      安井隆雄
    • Organizer
      第5回「匂いセンシングセミナー」
    • Invited
  • [Presentation] リキッドバイオプシーに向けた細胞外小胞の新規解析方法2022

    • Author(s)
      安井隆雄
    • Organizer
      第42回日本分子腫瘍マーカー研究会
    • Invited
  • [Presentation] 微小炎症由来のエクソソームを捕捉し高感度に検出する量子マイクロデバイスの開発2022

    • Author(s)
      安井隆雄
    • Organizer
      2022年度 生理学研究所 共同利用研究研究会
    • Invited
  • [Presentation] ナノデバイスによる細胞外小胞の包括的解析2022

    • Author(s)
      安井隆雄
    • Organizer
      第9回日本細胞外小胞学会
    • Invited
  • [Presentation] Liquid biopsy using oxide nanowire microfluidics to address previously-unattainable analytical methods for biomolecules2022

    • Author(s)
      Takao Yasui
    • Organizer
      ICPAC KK 2022
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 細胞外小胞の網羅的捕捉と機械的解析による miRNA 分泌経路の解明2022

    • Author(s)
      安井隆雄
    • Organizer
      第45回日本分子生物学会年会
    • Invited
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 微小液滴を形成する方法2022

    • Inventor(s)
      安井隆雄, 馬場嘉信
    • Industrial Property Rights Holder
      名古屋大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願2022-151862
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 脂質ナノ粒子を融合する方法2022

    • Inventor(s)
      安井隆雄, 馬場嘉信
    • Industrial Property Rights Holder
      名古屋大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願2022-168904

URL: 

Published: 2023-12-25  

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