Development of a novel microbiome imaging technique based on semiconducting polymer nanoparticles

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K20478
• Research Category: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: 0401:Materials engineering, chemical engineering, and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Nakamura Noriko 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (80910174)
• Project Period (FY): 2021-08-30 – 2023-03-31
• Keywords: 有機半導体ポリマーナノ粒子 / 蛍光ナノ粒子 / 腸内細菌 / 細菌イメージング

Outline of Final Research Achievements

In this research project, we aimed to develop a novel imaging technique that can easily monitor the transformation of the microbiota in real time. We aimed to observe the transformation of bacterial composition by labeling intestinal bacteria with organic semiconducting polymer nanoparticles (PDots). Optimization of PDot size is important for labeling intestinal bacteria without interfering with their function. First, we established a synthetic method to precisely control the size of PDot in a wide range of 15~200 nm. Furthermore, we optimized a method for modifying PDots with PEG, which inhibits nonspecific interactions, and DNA, which is one of the functional molecules. The modification of PDots with aptamers that recognize LPS on the bacterial surface is expected to be used for bacterial labeling in the future.

Free Research Field

材料工学、化学工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

腸内細菌叢の組成に着目し解析する試みは数多く為されているが、検出手法はDNA/RNA解析が主流であり煩雑かつ高コストな点が課題となっている。そこで、低分子蛍光色素による腸内細菌のラベル化及びイメージングが提案されているが、表面を無数の蛍光色素が覆うことによる細菌の機能への影響が懸念される。ナノ粒子を用いることで細菌の機能への影響を低減したラベル化手法を提案する本研究は新規の試みである。本研究課題において開発された技術によって脳-腸内細菌軸のハイスループットな解明が加速することにより、これまで有効な治療法が確立されていない神経疾患を全身疾患として捉えた新たな治療・診断技術の開発が望まれる。