2013 Fiscal Year Annual Research Report
ナノスロットレーザの極限的な光局在を利用する超高感度バイオマーカーセンサ
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24226003
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
馬場 俊彦 横浜国立大学, 工学研究院, 教授 (50202271)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
西島 喜明 横浜国立大学, 工学研究院, 准教授 (60581452)
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| Project Period (FY) |
2012-05-31 – 2017-03-31
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| Keywords | バイオセンシング / バイオマーカー / フォトニック結晶 / ナノレーザ / ナノスロット |
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| Research Abstract |
本年度は以下の五つの研究を行った．
(1) センサの安定化と感度の向上：我々が開発してきたナノレーザセンサでは，物質吸着時の波長の長波長化を観測するが，バイオ分子を含む試料液中では，波長が短波長化する現象が以前より問題になっていた．これは光励起キャリアを介したバイオ分子と水の反応によるエッチングや酸化が原因と考え，原子層堆積法により保護膜を形成したところ，短波長化を完全に抑制することに成功した．特に表面の帯電が少ないジルコニアを採用したとき，タンパク質との静電相互作用が最小化され，感度が向上することを見いだした．
(2) 試料液の最適化による高感度化：通常のバイオセンシングは水中で行われ，血中を模擬する塩を含む緩衝液中では，感度低下することが知られている．本研究では，これがセンサ表面の塩濃度の上昇によるバイオ分子の遮蔽効果であると考え，塩濃度を適度に希釈したところ，低濃度バイオ分子に対する感度が大幅に増大することを見いだした．
(3) 癌マーカーの検出：前立腺癌のマーカーとして知られるPSAタンパク質を抗原抗体反応により検出したところ，1 pMという低濃度から安定した選択的な検出に成功した．これは通常の簡易型バイオセンサの感度の1000倍に匹敵する．
(4) アルツハイマー病因子の検出：同因子としてよく知られるアミロイドやタウは血中からの検出が難しい．これに対し，これらよりも疾患初期から増加し，血中からの検出が可能なCRMP2タンパク質の検出を試みたところ，10 pMからの選択的な検出に成功した．これも従来の簡易型センサの1000倍の検出能力である．またヒト由来の血中からの同タンパク質の検出にも成功し，このセンサの医療応用可能性を実証した．
(5) 簡易システムの構築： 従来よりも1/10以下の大きさの簡易センシングシステムを構築し，自動測定に成功した．
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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
ナノレーザバイオセンサは極めて高感度な性能をもつが，これまで予期しない波長シフトを示すことが多く，当初からナノレーザ表面での不要な化学反応の存在が疑われていた．本年度，原子層堆積法による保護膜形成により，これらの波長シフトが一掃され，極めて安定したセンサ信号のみを読み取ることができるようになった．これにより，超低濃度タンパク質を検出するメカニズムの解明に大きく前進したと考えている．
また当初は後半期に予定していた実際の重度疾病のバイオマーカーの検出に既に成功した．特にCRMP2については，従来よりも圧倒的に少ない血液採取量で極めて低濃度からCRMP2を検出することに成功しており，共同研究を行う医療関係者からも評価を得ている．癌マーカーのPSAについては，通常，前立腺癌にかかったときの血中濃度はこれよりはるかに高く，ここまでの高感度は必要ない．一方で，前立腺癌を除去した後には血中のPSA濃度が大幅に低下し，癌が再発したときにはそれが再び増加することが知られており，再発の早期チェックに有効という評価を得ている．これらはまだ論文発表に至っていないが，早急に投稿することを検討している．
さらに，当初は後半期に実施する予定であった簡易システムについては，本年度，少ない出費でほぼ構築が完了し，自作ソフトウェアによる全自動化にもほぼ成功した．このため，次年度は研究が加速すると期待している．
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| Strategy for Future Research Activity |
複数の課題を並行して検討しているが，本研究の現在の最大の課題は，ナノレーザが高感度を示すメカニズムを解明することである．本年度の原子層堆積によりセンサ信号が安定化し，さらに試料中の塩濃度の調整によってさらに感度が変化する，といった挙動は，必ずしも本センサが周囲の屈折率変化のみを捉えている訳ではないことを示している．屈折率と電荷が本センサの特性に及ぼす影響を解明できれば，さらなる高感度化，安定化だけでなく，多項目同時検出の可能性も生まれてくる．分光エリプソメータを導入して原子層堆積の多層化，各被膜材料の最適化，抗体固定用の自己組織化膜まで含めた原子層堆積など，表面の安定化と原理の解明に一層注力する．
また上には書かなかったが，本年度は１万個レベルのナノレーザの高密度アレイ集積にも成功しており，ここに多種類の抗体を固定できれば，多種類の抗原の同時検出も可能になる．そのための抗体スポッティング技術の導入なども検討している．
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