2014 Fiscal Year Annual Research Report
魚類のストレスの見える化：可視光通信技術を用いたバイオセンシングシステムの創出
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26292114
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| Research Institution | Tokyo University of Marine Science and Technology |
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Principal Investigator |
遠藤 英明 東京海洋大学, 海洋科学技術研究科, 教授 (50242326)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | バイオセンサ / 魚類 / ストレス / モニタリング / 光通信 / 可視化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，魚のストレス指標となる血中コルチゾル，グルコース，コレステロール等の基質濃度変化を，魚が泳いでいる状態で目視により簡単に判別でき，かつそれらを定量的にモニタリングできる光通信技術を応用した新しいバイオセンシングシステムを創出することを目標としている．本年度は，コルチゾルを測定するための免疫バイオセンサシステムの基本設計及び製作，およびコレステロールを魚が遊泳している状態で測定可能なワイヤレスバイオセンサシステムの製作を中心に行った，また，海水中でも送受信可能な光通信システムの基本設計も合わせて遂行した．
まずコルチゾルの測定には，自己組織化単分子膜を利用して抗-コルチゾル抗体を金電極表面に固定化することにより，非標識イムノセンサを作製した．本システムを用いて，魚類（ティラピア）血中のコルチゾル濃度を測定し，従来法（ELISA）で得られた値と比較検討したところ，両者の間には良い相関が認められた（R=0.9189）．
次に，コレステロールの測定には，コレステロールオキシダーゼ及びコレステロールエステラーゼを，高い導電性を有するカーボンナノチューブと共に白金イリジウム電極に固定化することにより，総コレステロール測定用バイオセンサを製作した．これを電波型無線システムと組み合わせることにより，ワイヤレスモニタリングシステムを構築した．その結果，ティラピアを遊泳させた状態でコレステロールのリアルタイムモニタリングが可能であった．
さらに，水中でのバイオセンサの新しい信号伝達手段として，光通信技術を応用した送受信回路の設計を試みたところ，センサの出力信号を海水中においても十分伝達できることがわかった．
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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
本研究は「魚類のストレスの見える化」を念頭に置いて，海水中でも魚のストレスにおける一次及び二次応答を目視で簡単に判別でき，かつコルチゾル，グルコース，コレステロール等のストレス指標を定量的にモニタリングできる新しいバイオセンシングシステムを構築することを目的としている．
本年度の研究においては，まず魚類血漿中のコルチゾルを測定するためのバイオセンサシステムの基本設計及び製作を行い，抗-コルチゾル抗体の抗原認識部位を分子識別素子として用いて，免疫反応における電極表面特性の変化をサイクリックボルタンメトリー（CV）にて捉えることにより，コルチゾルの迅速な測定を可能にした．次にコレステロールの測定においては，カーボンナノチューブと各種酵素を用いることによりバイオセンサを構築し，これをティラピア体内に留置することにより遊泳状態におけるコレステロールのリアルタイムモニタリングを実現できた．さらに，光通信技術を応用して試作したバイオセンサ用送受信回路は，海水中においても十分使用可能であることが確認でした．
以上の理由により現在までの達成度は，順調に進展していると考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度に試作したバイオセンサ用光送受信回路を基盤として，LED型光通信システムの基本設計と製作を中心に遂行する．
まず，ストレス指標濃度の定量的な測定を可能にするために，水面付近に受光器を設置し，LED送信機との間で光通信を試みる．受信機の受光部には，外乱光の低減を図った外乱光防止筒体，LED光の収束を目的にレンズ類を設置したレンズ筒体，LEDの波長の近傍の光のみを通過させるカラーフィルター，さらに光電素子と電流電圧変換回路を搭載した光電処理筒体より構成されるシステムを製作する．これにより，水面付近の受光器とLEDとの間で通信を行うことにより，魚のストレス応答値のリアルタイムモニタリングが可能な光通信システムの構築が実現できると考えている．
次に「魚類のストレスの見える化」を念頭に置いて，魚がストレスのない平常状態の時は「青」，ストレスがやや負荷されている時は「黄」，ストレスが非常に大きくなった時は「赤」と点滅するような魚類に装着可能なLED型光通信システムの基本設計と製作を行う．
さらに，前年度に製作したコルチゾル測定用センサを，連続的なコルチゾルモニタリングが可能な免疫センサシステムにまで完成させる．また，コレステロール測定用センサに関しても，魚を遊泳させた状態でグルコースとコレステロールの二成分を同時に測定可能なバイオセンサの構築を試みる．
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| Causes of Carryover |
平成26年度に使用予定であった実験に関わる消耗品類，設備品の一部を，既存の現有品を用いることにより研究が遂行でき，予定よりもやや少ない支出になったため．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
前年度作製したバイオセンサの他に，新たなセンサシステムを製作する予定があるため，それに必要な電子回路部品類，酵素，抗体等の生化学試薬類，ガラス器具類等を購入する経費として使用する．
また旅費については，ある程度の研究成果が得られたので，2015年5月にフランス・ボルドー市内で開催予定の国際会議"Euroanalysis 2015"，および12月にアメリカ・ホノルル市内で開催予定の国際会議"Pacifichem 2015"において発表予定があり，その経費として執行する．
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