蛍光性ナノダイヤモンドによる細胞内温度計測及び局所加熱プローブの開発とその応用

• Project/Area Number: 18J00287
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Biophysics
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 外間 進悟 大阪大学, 蛋白質研究所, 特別研究員(SPD)
• Project Period (FY): 2018-04-25 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000); Fiscal Year 2020: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2019: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2018: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
• Keywords: ナノダイヤモンド / 細胞 / 温度 / 熱伝導率 / 化学修飾 / 温度計測 / 窒素空孔中心 / 磁気共鳴 / NVセンタ / 量子センサ / 蛍光イメージング / 金ナノロッド

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、細胞内の温度分布、および、細胞内のどの部位・オルガネラが温度を感知する役割を担うのかを明らかにすることである。前年度までに蛍光性ナノダイヤモンド（FND）によって細胞内の温度を計測することに成功したが、真に細胞と熱の関わりを明らかにするためには、より挑戦的ではあるが温度のばらつきを生み出す要因までも明らかにする必要があると考えた。よって令和2年度は「細胞内の温度はどのように伝わるのか」すなわち細胞の熱伝導率を明らかにすることが重要で有ると考え研究を進めた。
FNDの内部に含まれる格子欠陥、窒素-空孔中心はナノ領域の温度計測が可能なセンサーとして機能する。一方で、ポリドーパミンPDAはドーパミンが重合した高分子であり、様々な材料表面に接着する性質を有している。また、光照射によって発熱する性質(フォトサーマル効果)を有する。本研究では、PDAコーティングしたFND(FND-PDA)を合成、発熱体と温度計が一体となった新規ハイブリッドナノシステムを構築し、ナノ領域の熱伝導を計測可能なプローブを開発した。FND-PDAに光照射すると、PDAが発熱しその発熱はFNDによって計測することができる。FND-PDAが高熱伝導率の環境にある場合、PDAの発熱は外部へ速く拡散するため、FNDの温度は上がりにくく、逆に低熱伝導率の環境にある場合はFNDの温度は高温になる。すなわち、FND-PDAを細胞内に導入しその温度上昇を調べることによって、細胞内の熱伝導率を計測することができる。実験の結果、細胞の熱伝導率は、0.11 W/mKとなり水より小さく、また大きなばらつきを持つことが明らかとなった。我々の研究によって新たに計測された細胞の熱伝導率は、従来予想されていた値（水と同等）とは大きく異なり、細胞温度生物学に新たな視点を与える成果である。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] London University, Queen Mary(英国)
• [Int'l Joint Research] Academia Sinica(台湾)
• [Journal Article] In situ measurement of intracellular thermal conductivity using heater-thermometer hybrid diamond nanosensor (2021)
  • Author(s): Shingo Sotoma, Chongxia Zhong, James Chen Yong Kah, Hayato Yamashita, Taras Plakhotnik, Yoshie Harada, Madoka Suzuki
  • Journal Title: Science Advances Volume: 7 Issue: 3
  • DOI: 10.1126/sciadv.abd7888
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Polydopamine Coating as a Scaffold for Ring-Opening Chemistry To Functionalize Gold Nanoparticles (2019)
  • Author(s): Sotoma Shingo、Harada Yoshie
  • Journal Title: Langmuir Volume: 35 Pages: 8357-8362
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.9b00762
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fluorescent nanodiamonds as a robust temperature sensor inside a single cell (2018)
  • Author(s): Takeharu Sekiguchi, Shingo Sotoma, Yoshie Harada
  • Journal Title: Biophysics and Physicobiology Volume: 15 Issue: 0 Pages: 229-234
  • DOI: 10.2142/biophysico.15.0_229
  • NAID: 130007501130
  • ISSN: 2189-4779
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] ダイヤモンドナノ粒子による細胞の熱伝導計測 (2021)
  • Author(s): 外間進悟
  • Organizer: 第34回ダイヤモンドシンポジウム
• [Presentation] 高度に機能制御されたダイヤモンド量子センサによる細胞内センシングの実践 (2020)
  • Author(s): 外間進悟
  • Organizer: 量子生命学会第2回大会
• [Presentation] Surface modification of fluorescent nanodiamonds for bioimaging applications (2019)
  • Author(s): Shingo Sotoma
  • Organizer: E-MRS 2019 FALL MEETING
  • Invited
• [Presentation] Surface modification of fluorescent nanodiamonds for temperature sensing inside cells (2019)
  • Author(s): Shingo Sotoma
  • Organizer: The 6th Awaji International Workshop on “Electron Spin Science & Technology: Biological and Materials Science Oriented Applications”
  • Invited
• [Presentation] Fluorescent Nanodiamonds as a Robust Temperature Sensor inside a Single Cell (2018)
  • Author(s): Shingo Sotoma
  • Organizer: 10th Asian Photochemistry Conference
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] “生きる”とは？私たち生物の細胞が熱を伝えるメカニズムの解明へ。
  • URL: https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2021/20210116_1