2023 Fiscal Year Research-status Report
Development of a near-infrared luminescence sensing platform for continuous monitoring of biomarkers
| Project/Area Number |
23K04786
|
|---|
| Research Institution | University of Toyama |
|---|
Principal Investigator |
遠田 浩司 富山大学, 学術研究部工学系, 教授 (60212065)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
|
| Keywords | バイオマーカーセンサ / アップコンバージョンナノ粒子 / 近赤外発光センサ / 分子インプリント樹脂 / 金ナノ粒子 / 共鳴エネルギー移動 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
慢性疾患におけるバイオマーカーの連続モニタリングを可能とする近赤外(NIR)発光センシングプラットホームの開発を行った。まず，980 nmのレーザー光照射により，波長800 nmのセンシングシグナル光とナノ粒子表面のみに分子インプラントポリマー(MIP)層を光重合により構築するための520 nmの可視光を同時に放出するランタノイドアップコンバージョンナノ粒子(UCNPs)の組成検討を行い，Ybを18wt%，Tmを1wt%含むナノ粒子が最適な発光特性を示すことを見出した。次に，ナノ粒子表面にグルコース認識MIP層を構築するために，UCNPsを4-ビニルフェニルボロン酸，グルコース，エチレングリコールジメタクリレート，可視光重合開始剤であるエオシン，トリエチルアミンを含む溶液に分散させ，脱気しながら4時間980 nmレーザー光を照射した後，遠心分離/洗浄を3回繰り返した。調製したMIP修飾UCNPsの透過顕微鏡像を撮影した結果，粒径約30 nmのナノ粒子表面に厚さ約10 nmのMIP層が構築されていることが確認できた。更に，アリザリン及びフェニルボロン酸感受性azaBODIPY色素を用いたMIP修飾UCNPsの比色アッセイを行い，UCNPs表面に修飾したMIP層はグルコースに対する認識能を有することを確認した。
本研究で開発するバイオマーカーに対するセンシングプラットホームでは，その情報変換としてUCNPsの共鳴エネルギー移動(RET)を利用する。そこで，UCNPsのアクセプターとしての金ナノ粒子の有用性について検討した。UCNPsの表面をチオールで修飾し，ここに平均粒径90 nmの金ナノ粒子を添加すると，800 nmの発光強度が大きく減少し，520 nmの発光強度が増大することを見出した。この結果は，金ナノ粒子による発光強度制御が可能であることを強く示唆している。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究計画調書では，令和5年度の研究計画として(1)サルコシン及びグルコース認識分子インプラントポリマー(MIP)表面を有するUCNPsの構築，(2)バイオマーカータグを有するNIR吸収機能性色素の合成を挙げている。
(1)のUCNPs表面のMIP層の構築に関しては, 980 nmレーザー光照射に伴うUCNPsからの520 nm可視光発光を利用した光重合により，糖尿病のバイオマーカーであるグルコースを認識する厚さ約10 nmのMIP層をUCNPs表面に構築することに成功した。これにより，様々な種類のバイオマーカーに対するMIP修飾UCNPs構築の基本的な手法の確立は達成できた。
(2)のNIR吸収機能性色素の合成に関しては，バイオマーカーであるグルコースタグとしてのカテコール部位を有し，重合性官能基を導入した近赤外吸収azaBODIPY色素の合成に成功している。また，NIR吸収機能性色素以外の共鳴エネルギー移動(RET)の可能性を探り種々の検討を行った結果，UCNPs表面への金ナノ粒子の固定化により，800 nmのNIR発光強度が制御できることを見出した。金ナノ粒子表面へバイオマーカータグを導入すれば，バイオマーカーに対するセンシングプラットホームの新たな情報変換機構として利用できる可能性が高い。
以上の理由により，本研究の現在までの進捗状況は予定通りであると言える。
|
| Strategy for Future Research Activity |
令和6年度以降は，UCNPs表面へMIP層の構築が種々のバイオマーカー認識表面をもたらすことを検証するために，がん疾患の低分子量バイオマーカーであるサルコシン及び心臓疾患のタンパク質バイオマーカーであるミオグロビンをターゲットとしたMIPをUCNPs表面に構築する。また，サルコシンあるいはミオグロビンタグを導入した近赤外吸収NIR色素及び金ナノ粒子を合成し，UCNPs表面への吸着により近赤外発光強度が制御できるか詳細に検討すると共に，UCNPs表面に構築したMIPの各バイオマーカーに対するインプリンティングファクター(IF)の評価を行う。最終的には，重合性官能基を導入したバイオマーカータグ付きNIR色素あるいは金ナノ粒子吸着UCNPsを単官能モノマー，架橋剤及び熱重合開始剤を含む溶液に分散させ，これを二枚のスライドガラスをスペーサーで挟み込んだ鋳型に流し込み，加熱することによってバイオマーカーに対するセンシングフィルムを構築する。このセンシングフィルムを自作のフローセルに組み込み，種々の濃度のバイオマーカー溶液を送液しながら800 nmにおけるUC発光強度を測定する。センシングフィルムのバイオマーカーに対するNIR発光応答の可逆性・再現性はセンシングフィルム構築に用いる単官能モノマーと架橋剤の種類と組成に依存するので系統的な検討を行い，様々な種類のバイオマーカーの連続モニタリングが可能なNIR発光センシングプラットホームを構築し，研究を取りまとめる。
|
| Causes of Carryover |
980 nmレーザー光照射によるUCNPsからの可視光発光を利用したUCNPs表面へのMIP層の構築のため，令和5年度にMIP用モノマー/UCNPs分散液の精密な流量コントロールが可能で，レーザー照射時間を精密にコントロールできる精密送液マイクロシリンジポンプ（アズワン1-5046-03，72万円）を備品として申請した。しかし，980 nmレーザー光をビームエキスパンダーに通すことにより照射面積を広げ，これをバイアル中のMIP用モノマー/UCNPs分散液に照射することでUCNPs表面にMIP層が構築できることが分かったため，令和5年度は精密送液マイクロシリンジポンプの購入は見送り，結果として次年度繰越金が発生した。当該の精密送液間イクロシリンジポンプは令和6年度に購入予定である。
|
