2022 Fiscal Year Research-status Report
Development of Mass Production Technology for Medical Diagnostic Chips Using Femtosecond Laser Ablation and Inkjet Printing
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21K03798
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
渕脇 雄介 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 生命工学領域, 上級主任研究員 (80468884)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 新型コロナウイルス / 検査チップ / 親水化 / レーザ改質 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
前年度までにプラスチック流路基板（0.15mm×0.15mm）にレーザ改質を行うことで、新型コロナウイルス抗体に対するリコンビナントタンパクを固相化する事に成功した。そこで今年度はレーザ改質による乾式下で作製した検査チップと、従来のウェットな環境下で作製した検査チップとの比較を行い、これらの差分について評価を行った。QCM-D（Quartz Crystal Microbalance-Dissipation）による相互作用解析からレーザで改質した表面は未処理の表面に比べて共振後の振動数の消散スピードが早かったことから硬質膜を形成していることがわかった。その一方で、非特異的な吸着を反映する振動周波数変化（Δf）は小さかったため、親水化層を形成していることが示唆された。一般的に親水性が高い単分子膜などは非特異的な吸着を洗浄除去するため水の層が表面に形成されるが、その場合は硬質膜ではなくソフト膜となる。そのためこの現象はレーザ改質によってプラスチック表面のC-C結合が切断されてラジカル或いは親水基が生成され、結果として、自発的に親水化の層が形成されたものと考えられた。さらに立体構造がより明らかになっている抗原抗体タンパク（アディポネクチン）を用いて理論と実験の両方から考察を試みたところ、抗体分子が基板表面のタンパクと特異的に結合するとパルス波のような迅速なΔfを示すのに対し、非特異的な吸着はΔfが徐々に上昇する事が示唆された。このようにSとNで全く異なるシグナルを示すことは新たな発見であった。そこで本知見をベースに検査チップの作製を行い臨床検査で汎用されているマイクロプレートの酵素免疫測定法と比較したところ、約1/10の測定時間で同程度の感度を示した。これら結果の一部は臨床検査関連の学会等で発表を行い大きな反響があった。
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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
当初の計画どおり超短パルスレーザ改質とインクジェット印刷による乾式下で作製した医療検査チップについて解析を行い、未改質の検査チップとの差分を明らかにした。QCM（水晶振動子マイクロバランス）のDissipation（消散度）解析により改質表面は非特異的な吸着を洗浄除去し易い親水層を形成しながらも硬質膜であることを明らかにした。当初の計画では酵素免疫測定法によるシグナル比較と、基板表面での抗原抗体反応のQCMシグナルを並べることで補足的な位置づけとして評価するのみであったが、親水性の硬質膜でパルス波のような抗原抗体反応に伴う特異的なシグナルが得られることが新たに分かったことから、レーザ改質技術は現在の医療検査チップの作製技術の代替としてだけではなく、より高精度化が可能であることが示唆された。
また公定検査として臨床現場で多用されているマイクロプレートウェルを用いた酵素免疫測定法との結果比較では、本検査チップは1/10の時間で同程度の最小検出感度を得られたことから、これらの成果は臨床検査関連の学会で２件口頭発表を行い、良好な反響を得た。一方でQCMを用いた表面解析で予想以上の知見が得られたことから、検査チップの分析学的な妥当性についての検討の一部は次年度に行うこととしたが、全体として今年度は順調に研究を推進させることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
分析学的妥当性の検討として同時再現性と長期保存安定性試験を行い96ウェルマイクロプレートによる酵素免疫測定法との相関性について検討を行う。相関性については相関係数が0.9以上となることを達成目標に検討を進めるが、達成が困難なときは、測定時間・測定プロトコルの変更や基板表面のリコンビナントタンパク質の高濃度化など、本研究で検討された検査チップが最も性能を発揮する条件を見つける。また当初の計画どおり既存品との同等性試験としてドラッグストアなどで市販されている新型コロナウイルス関連の簡易検査キットとの比較試験を行う。研究用途として市販されている不活化処理された新型コロナウイルス感染血清を複数用いて、既存の検査キットと感度等について比較・評価する。臨床検体から得られるシグナルとノイズ比の大きさについて比較を行い、本検討で開発された検査チップが臨床現場でも使えるよう、社会実装まで見込んだ検討を意欲的に進める。
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| Causes of Carryover |
購入予定であった「QCM 分子間相互作用解析装置・アズワンSingle-Q」については、所属研究機関においてより高精度な「QSense Explorer（Biolin Scientific製）」を汎用装置として設置されたことからより正確で高精度な相互作用解析が可能になった。これによりタンパク質の配列構造からの理論的考察と実験結果による分子レベルでの相互作用解析との両方からの検討が可能になったため、当初の計画以上に抗原抗体反応の学術的探求が可能になった。そこで今年度は分子レベルでの立体構造とアミノ酸配列構造が明らかになっている抗原及び抗体タンパク（アディポネクチン）で解析を行い、これの知見とノウハウをベースに、次年度以降に新型コロナウイルスなどの感染症による抗原抗体反応の解析を行っていく方が学術的価値が高いと判断した。従って今年度使用予定であった免疫アッセイ用試薬関連は次年度に購入してより広範囲かつ深遠な検討を行うこととした。
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