2022 Fiscal Year Annual Research Report
Development of semiconductor-based biosensing system for quality evaluation of embryo obtained by in vitro fertilization
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22H03920
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
坂田 利弥 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (70399400)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 半導体バイオセンサ / 体外受精卵 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
半導体バイオセンサのゲート電極表面に細胞培養に適した化学修飾を施し細胞を培養する。その際、細胞とゲート電極との間に形成されるナノメートルオーダーのギャップに細胞呼吸により蓄積される乳酸や二酸化炭素といった代謝産物がpH変化を誘導する。つまり、この細胞/ゲート電極間のナノギャップ領域でのpH変化を半導体バイオセンサにより非侵襲的に計測可能となる。本来、半導体バイオセンサのゲート電極表面は酸化膜から構成されており、pH応答性が良好で電気化学的にはネルンスト応答（59.2 mV/pH at 25 ℃）を示す。しかしながら、現状ではゲート電極とその周辺部まで細胞が一面に培養されているため、個々の細胞に基づくpH変化を再現性良く定量的に見積もることが困難である。特に、個々の評価が必要な体外受精卵（胚）を対象とする場合、各ゲート電極上に体外受精後の胚を一つ一つ静置し長時間活性をモニタリングする必要がある。そこで本研究では、計測対象を胚とし、一つのゲート電極上に一つの胚が固定可能なウェルを含むカートリッジ型プレートを作製し、個々の胚の呼吸活性を再現良く定量的に評価する。当該年度は、マウス胚の呼吸活性を計測およびその形態を観察可能な透明ゲート半導体バイオセンサを作製するとともに、そのゲート電極にマウス胚1個を配置するためのウェルを作製した（カートリッジ型プレート）。また、上記カートリッジ型プレートを用いて電気計測の可能性について調査した。
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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
導電性のIndium Tin Oxide (ITO)をスパッタリングにより製膜し（厚さ100 nm）、チャネルとなるITOのみをエッチング法により20 nmとすることで溶液をゲートとする透明ゲート半導体バイオセンサを作製した。さらに、個々のゲート電極上にマウス体外受精卵（胚）を一つ一つ配置するため、柔軟性の高いシリコーンの一つであるポリジメチルシロキサン（PDMS）を用いてウェルを作製すした。当該年度に作製した上記デバイスを用いて、次年度計画しているマウス胚を個々に計測していく予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、当初計画通り、当該年度に作製したデバイス（カートリッジ型プレート）がセット可能な電気計測用チャンバーを作製する。プレートをセットする治具の先端部が計測機と電気的に接続可能とする。電気計測には溶液/ゲート電極界面の電位を参照電極の電位を一定としソースフォロワー回路を用いて計測する。チャンバーの底面には温度制御可能なペルチエ素子を内蔵し、マウス体外受精卵（胚）培養における37 ℃を維持する。また培養液中のpHを7.4に維持するため培養液の緩衝作用を制御するため二酸化炭素5%雰囲気となるよう二酸化炭素センサおよびガス導入弁を内蔵する。透明ゲート半導体バイオセンサの計測条件と出力表示、温度制御、二酸化炭素ガス濃度制御をPC上で行うソフトウェアを作成する。最後に、上記作製した電気計測システムを用いて、マウス胚の呼吸活性計測を実施する。以上から、体外受精とその後の胚の分割過程における目に見えない（これまで未知であった）呼吸挙動が明らかになるだけでなく、本研究終了後、共同研究実績がある産婦人科および家畜改良センターとの連携によりヒトの余剰胚およびウシ胚を用いて生殖補助医療およびウシの生産現場での実用化に向けた検証へと展開が期待される。
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Research Products
(1 results)
