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拡張ナノ空間における単一細胞分析のための流体インターフェースの開発と応用

Research Project

Project/Area Number 11J09195
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Nanomaterials/Nanobioscience
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

白井 健太郎  東京大学, 大学院工学系研究科, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2011 – 2013
Project Status Completed (Fiscal Year 2013)
Budget Amount *help
¥1,900,000 (Direct Cost: ¥1,900,000)
Fiscal Year 2013: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2012: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2011: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Keywords免疫分析 / ELISA / 拡張ナノ空間 / ナノ流体 / 単一細胞 / 単一細胞分析 / 極微量分析 / 単一分子 / パターニング
Research Abstract

近年の医学・生物学では、個々の細胞の活動を把握し理解するため、タンパク質を単一細胞レベルで調べる研究ツールの開発が求められている。高選択的なタンパク質分析法として免疫分析法が普及しているが、既存手法の分析場体積は細胞体積よりも桁違いに大きいため、単一分子・単一細胞分析は困難であった。一方、筆者の所属研究室ではガラス基板上に作製した拡張ナノ空間(10-1000nm)を用いた分析手法の研究を進めている。拡張ナノ空間は体積がfL-aLと細胞体積(pL)よりも3桁以上小さく極微量分析に適した空間であるため、単一細胞レベルの分析が実現できる。今年度は、第1年目に開発した拡張ナノ流路内の抗体部分修飾法および第2年目に実証した高効率分子捕捉を総合的に応用して、酵素による化学増幅および微分干渉熱レンズ顕微鏡による超高感度定量を組み合わせ、単一分子・可算個分子分析を実現する免疫分析拡張ナノ流体デバイスを開発した。まず、単一分子を検出できるよう流路サイズと酵素反応条件を設計した。酵素反応系として高い化学増幅効果が期待できる西洋ワサビペルオキシダーゼとテトラメチルベンジジンを用いた。次に、抗体を部分的に固相化したナノ流路で目的分子に対してサンドイッチ複合体を形成し、酵素反応後に蓄積した発色基質を微分干渉熱レンズ顕微鏡で検出したところ、信号が得られた。得られた信号と試料導入時に発生するサンプリングノイズ(ポアッソン分布)を比較したところ、確率的に起こりやすい分子数に相当する信号が得られたことから、本デバイスが単一分子・可算個分子を分析できる性能を有していることを実証できた。本研究により、分析化学において濃度定量から可算個分子の定量への変革をもたらし、極限の分析化学を実現した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究の目的は拡張ナノ空間に免疫分析を集積化し、単一分子・可算個分子分析可能なデバイスを開発することである。最終年度として、1,2年目の成果を総合して応用し、わずかな試料に含まれる極微量の目的分子を定量できるデバイスを開発することができた。

Strategy for Future Research Activity

今後、本デバイスは単一細胞レベルの極限分析法を提供して医学・生物学などの関連分野に大きく貢献すると期待される。そのためには、実験誤差および本質的に存在する統計誤差を区別し考察・議論することにより、定量分析の精度・正確度を向上させることが必要である。また、本研究の成果は、シナプスなど10-100nmスケールの細胞内・細胞膜間における分子反応機構の解明や、秒スケールでほぼ100%の目的分子を分析できることを利用した超高効率・迅速医療診断へと展開できると考えられる。

Report

(3 results)
  • 2013 Annual Research Report
  • 2012 Annual Research Report
  • 2011 Annual Research Report
  • Research Products

    (19 results)

All 2014 2013 2012 2011 Other

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 2 results) Presentation (13 results) Remarks (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] Extended Nanofluidic Immunochemical Reaction with Femtoliter Sample Volumes2014

    • Author(s)
      K. Shirai, K. Mawatari, T. Kitamori
    • Journal Title

      Small

      Volume: 8 Issue: 8 Pages: 1514-1522

    • DOI

      10.1002/smll.201302709

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  • [Journal Article] Molecular Capture in Extended Nanochannels for Femto Liter Scale Immunoassay2013

    • Author(s)
      K. Shirai, K. Mawatari, T. Kitamori
    • Journal Title

      The Proceeding of Conference μTAS 2013

      Pages: 107-109

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    • Author(s)
      Kentaro Shirai, Kazuma Mawatari, Takehiko Kitamori
    • Journal Title

      Proceedings of microTAS 2012

      Pages: 713-715

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    • Author(s)
      Kentaro Shirai, Yasuhiko Sugii, Yo Tanaka, Kazuma Mawatari, Takehiko Kitamori
    • Journal Title

      The Proceedings of Conference μTAS 2011

      Pages: 1032-1034

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  • [Presentation] Development of Extended Nanofluidic Immunoassay Device2013

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      Kentaro Shirai, Kazuma Mawatari, Takehiko Kitamori
    • Organizer
      JSPS先端研究拠点事業・特別推進研究共催シンポジウム
    • Place of Presentation
      東京大学福武ホール、 東京
    • Year and Date
      2013-03-27
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      東北大学、仙台、宮城
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    • Author(s)
      白井健太郎、馬渡和真、北森武彦
    • Organizer
      第73回 分析化学討論会
    • Place of Presentation
      北海道大学、函館、北海道
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      K. Shirai, K. Mawatari, T. Kitamori
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      4th ANZ Nano/Micrafluidics Symposium
    • Place of Presentation
      アデレード、オーストラリア
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      K. Shirai, K. Mawatari, T. Kitamori
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      The 17th International Conference on Miniaturized, Systems for Chemistry and Life Sciences (μTAS 2013)
    • Place of Presentation
      フライブルク、ドイツ
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    • Author(s)
      Kentaro Shirai, Yasuhiko Sugii, Kazuma Mawatari, Takehiko Kitamori
    • Organizer
      The 4th International NanoBio Conference (NanoBio Seattle 2012)
    • Place of Presentation
      Seattle, USA
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  • [Presentation] Development of Biomolecules Patterning Method in Extended Nanochannel Utilizing Low-temperature Bonding Toward Single Cell Analysis2012

    • Author(s)
      Kentaro Shirai, Kazuma Mawatari, Jakehiko Kitamori
    • Organizer
      19th International Symposium, Exhibit & Workshops on Electro- and Liquid Phase-separation Techniques(ITP 2012)
    • Place of Presentation
      Baltimore, USA
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  • [Presentation] PATTERNING OF BIOMOLECULES IN EXTENDED NANOCHANNEL USING LOW-TEMPERATURE BONDING2012

    • Author(s)
      Kentaro Shirai, Kazuma Mawatari, Takehiko Kitaraori
    • Organizer
      The 16th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (pTAS2012)
    • Place of Presentation
      Okinawa Convention Center, Okinawa
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  • [Presentation] 常温接合による拡張ナノ空間の生体分子固定化法の構築2011

    • Author(s)
      白井健太郎、馬渡和真、北森武彦
    • Organizer
      第24回化学とマイクロ・ナノシステム研究会
    • Place of Presentation
      大阪
    • Year and Date
      2011-11-18
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  • [Presentation] INTEGRATION OF SINGLE CELL MANIPULATION, LYSIS, INJECTION AT SUB-PICOLITER SCALE UTLIZING EXTENDED-NANO SPACE FOR SINGLE CELL ANALYSIS2011

    • Author(s)
      Kentaro Shirai, Yasuhiko Sugii, Yo Tanaka, Kazuma Mawatari, Takehiko Kitamori
    • Organizer
      The 15th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences
    • Place of Presentation
      Seattle, USA
    • Year and Date
      2011-10-04
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  • [Presentation] pL空間内細胞前処理操作による単一細胞分析のためのマイクロ・拡張ナノインターフェースの構築2011

    • Author(s)
      白井健太郎、杉井康彦、田中陽、馬渡和真、北森武彦
    • Organizer
      第23回化学とマイクロ・ナノシステム研究会
    • Place of Presentation
      千葉
    • Year and Date
      2011-06-11
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] Development of Interface between Micro and Extended-nano Spaces for Femtoliter Scale Analysis of Single Cells2011

    • Author(s)
      Kentaro Shirai, Yasuhiko Sugii, Yo Tanaka, Kazuma Mawatari, Takehiko Kitamori
    • Organizer
      ISMM 2011
    • Place of Presentation
      Seoul, Korea
    • Year and Date
      2011-06-04
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] Single Cell Analysis at Femtoliter Scale utilizing Extended-nano Space2011

    • Author(s)
      Kentaro Shirai, Yasuhiko Sugii, Yo Tanaka, Kazuma Mawatari, Takehiko Kitamori
    • Organizer
      2nd Single Cell Analysis Congress
    • Place of Presentation
      London, UK
    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Remarks]

    • URL

      http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/kitamori/

    • Related Report
      2011 Annual Research Report
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 微細流路を備えた機能性デバイスの製造方法及び微細流路を備えた機能性デバイス2012

    • Inventor(s)
      北森武彦, 馬渡和真
    • Industrial Property Rights Holder
      独立行政法人科学技術振興機講
    • Filing Date
      2012-09-28
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      2012 Annual Research Report

URL: 

Published: 2011-12-12   Modified: 2024-03-26  

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