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ナノ空間を巧みに利用した革新的ナノポアケミカルセンサーの創成

研究課題

研究課題/領域番号 22K18939
研究種目

挑戦的研究(萌芽)

配分区分基金
審査区分 中区分28:ナノマイクロ科学およびその関連分野
研究機関名古屋大学

研究代表者

高橋 康史  名古屋大学, 工学研究科, 教授 (90624841)

研究期間 (年度) 2022-06-30 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
2024年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
2023年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
2022年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
キーワードガラスナノピペット / pH / バイオセンサー / プローブ顕微鏡 / ナノピペット / ケミカルセンサー
研究開始時の研究の概要

細胞内でオルガネラは相互作用しながら活動しており、その理解には、細胞内の化学動態を計測する技術がもとめられている。そこで、ガラスピペットに酵素やアプタマーを修飾し、化学物質の濃度をセンサー薄膜の電荷状態の変化としてとらえる。さらに、能動的に生体分子をナノポア内に導入する手法、導入した生体分子の増幅法を確立し、細胞の代謝物をセンシング可能な革新的なケミカルセンサーを確立する。

研究実績の概要

細胞内でオルガネラは相互作用しながら活動しており、その理解には、細胞内の化学動態を計測する技術がもとめられている。その候補の一つとして、ガラスピペットを用いたナノポアセンサーが挙げられる。ガラスピペット先端の大きさを10 nm前後にすると、ガラス内壁の負電荷とイオンが相互作用することで、正の電位で電流がほとんど観察されない半導体同様の整流作用が現れる。この整流作用は、化学物質がピペット内壁に吸着した際に変化するため、化学物質の濃度を電流変化に高感度に変換可能である。今年度は、ナノポアpHセンサーの作製の再現性の向上と、ナノピペットそのものの微細化に取り組んだ。ナノポアpHセンサーの作製法では、バッチプロセスを確立することで、数十本レベルでナノポアpHセンサーを作成することが可能となり、また、pHと電流のキャリブレーションを行うソフトを開発することで、キャリブレーション時間の短縮に成功した。さらに、ナノピペットの作製では、あらかじめガラスの内外径比を調整するプロセスを導入することで、従来の1/2以下の微細なナノピペットの作製が可能となった。
ナノポアpHセンサーについては、作成の再現性も非常に高く、実用的なレベルまで作製技術を向上させることができた。また、来年以降に取り組む予定であるナノピペットの自動ナビゲーションを実現するためのプログラム開発にも着手し、オルガネラの分析に資する技術開発が着実に進んでいる。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

ナノポアセンサーの大きな課題であるポアサイズの微細化・サイズ調整を、高い再現性で可能とする作製プロセスを確立した。この手法は非常にシンプルであり、まず、ガラスキャピラリーの事前に加熱しながらガラスナノピペットのガラスの厚さを調整する。このことで、ガラス部分の厚さを調整したガラスキャピラリーを容易に作製可能となった。細いナノピペットを作製する場合にはガラスが分厚いキャピラリーをもちいて、先端半径が20 nm以下のナノピペットを容易に作製可能となった。また、ナノポアpHセンサーについても、これまでpH感受性の膜の固定化を一本一本行ってきたが、一度に20本ほど作製可能な量産が可能なシステムを確立した。さらに、ナノポアpHセンサーは、個々のセンサーごとにpHに対する電流応答が異なるため、その都度評価が必要である。このpHに対する電流応答の取得を半自動化し、さらに、電流応答からpHを簡便に算出可能なソフトを自作し、ナノポアpHセンサーの評価部分のスループットを大幅に改善した。

今後の研究の推進方策

ナノポアpHセンサー先端に酵素修飾を施し、ケミカルの濃度をpHの変化として読み取るケミカルナノポアセンサーの開発を行う。まず、グルコースオキシダーゼを用いて、動作を確認し、この技術をグルタミン酸や乳酸のセンシングに展開する予定である。また、ナノピペット先端部分のナノ空間を活用して遺伝子の定量が可能なシステムを確立し、ガラスナノピペットを細胞に直接挿入、細胞質を回収し、その中に存在する遺伝子を計測する技術を確立する。また、ガラスナノピペットの細胞内への自動ナビゲーションシステムに関しても開発を進める予定である。具体的には、機械学習と顕微鏡画像から細胞の位置情報を識別し、XYステージとナノピペットを取り付けたZ軸ピエゾステージを自動制御することで自動ナビゲーションを実現する。

報告書

(2件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 研究成果

    (27件)

すべて 2023 2022

すべて 雑誌論文 (8件) (うち国際共著 3件、 査読あり 8件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (19件) (うち国際学会 2件、 招待講演 16件)

  • [雑誌論文] 超解像度ライブセルイメージングに資する高速走査型イオンコンダクタンス顕微鏡の発展2023

    • 著者名/発表者名
      本田 航大、井田 大貴、高橋 康史
    • 雑誌名

      顕微鏡

      巻: 58 号: 2 ページ: 71-75

    • DOI

      10.11410/kenbikyo.58.2_71

    • ISSN
      1349-0958, 2434-2386
    • 年月日
      2023-08-30
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Electrochemical Nanopipette Sensor for In Vitro/In Vivo Detection of Cu<sup>2+</sup> Ions2023

    • 著者名/発表者名
      Timoshenko Roman V.、Gorelkin Petr V.、et al.,
    • 雑誌名

      Analytical Chemistry

      巻: 96 号: 1 ページ: 127-136

    • DOI

      10.1021/acs.analchem.3c03337

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] In situ visualization of LbL-assembled film nanoscale morphology using scanning ion conductance microscopy2023

    • 著者名/発表者名
      Honda Kota、Yoshida Kentaro、Sato Katsuhiko、Ida Hiroki、Takahashi Yasufumi
    • 雑誌名

      Electrochimica Acta

      巻: 469 ページ: 143152-143152

    • DOI

      10.1016/j.electacta.2023.143152

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Nanopipette Fabrication Guidelines for SICM Nanoscale Imaging2023

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Yasufumi、Sasaki Yuya、Yoshida Takeshi、Honda Kota、Zhou Yuanshu、Miyamoto Takafumi、Motoo Tomoko、Higashi Hiroki、Shevchuk Andrew、Korchev Yuri、Ida Hiroki、Hanayama Rikinari、Fukuma Takeshi
    • 雑誌名

      Analytical Chemistry

      巻: 95 号: 34 ページ: 12664-12672

    • DOI

      10.1021/acs.analchem.3c01010

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Topographical evaluation of human mesenchymal stem cells during osteogenic differentiation using scanning ion conductance microscopy2023

    • 著者名/発表者名
      Nozawa Kota、Zhang Xuyang、Nakamura Takuo、Nashimoto Yuji、Takahashi Yasufumi、Ino Kosuke、Shiku Hitoshi
    • 雑誌名

      Electrochimica Acta

      巻: 449 ページ: 142192-142192

    • DOI

      10.1016/j.electacta.2023.142192

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Correlative Analysis of Ion-Concentration Profile and Surface Nanoscale Topography Changes Using Operando Scanning Ion Conductance Microscopy2023

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Yasufumi、Takamatsu Daiko、Korchev Yuri、Fukuma Takeshi
    • 雑誌名

      JACS Au

      巻: 3 号: 4 ページ: 1089-1099

    • DOI

      10.1021/jacsau.2c00677

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Surface morphology live-cell imaging reveals how macropinocytosis inhibitors affect membrane dynamics2023

    • 著者名/発表者名
      Ida Hiroki、Taira Noriko、Azuma Koichi、Kumatani Akichika、Akishiba Misao、Futaki Shiroh、Takahashi Yasufumi、Shiku Hitoshi
    • 雑誌名

      Electrochimica Acta

      巻: 441 ページ: 141783-141783

    • DOI

      10.1016/j.electacta.2022.141783

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Highly sensitive glucose electrochemical sensor using sugar‐lectin interactions2023

    • 著者名/発表者名
      Sugiyama Kyoko、Sato Fumiya、Komatsu Sachiko、Kamijo Toshio、Yoshida Kentaro、Kawabe Yusuke、Nishikawa Hiromi、Fujimura Tsutomu、Takahashi Yasufumi、Sato Katsuhiko
    • 雑誌名

      Electrochemical Science Advances

      巻: e2300015 号: 5 ページ: 1-9

    • DOI

      10.1002/elsa.202300015

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 微小電極・ナノピペットを用いた 単一細胞計測2023

    • 著者名/発表者名
      高橋康史
    • 学会等名
      第97回日本薬理学会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] オルガネラレベルの分析を実現する 走査型イオンコンダクタンス顕微鏡の開発2023

    • 著者名/発表者名
      高橋康史
    • 学会等名
      第2回GTPハッカソン
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 単一オルガネラ操作に資する 走査型イオンコンダクタンス顕微鏡の開発2023

    • 著者名/発表者名
      高橋康史
    • 学会等名
      第96回日本生化学会大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] ガラスナノピペットを用いた 機能性イメージング技術の創成2023

    • 著者名/発表者名
      高橋康史
    • 学会等名
      第3回マテリアル・計測ハイブリッド研究センター シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] ガラスナノピペットを用いたオルガネラのその場回収技術の開発2023

    • 著者名/発表者名
      高橋康史
    • 学会等名
      第75回日本細胞生物学会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 細胞の自動回収を実現するナノピペット技術の開発2023

    • 著者名/発表者名
      高橋康史
    • 学会等名
      第83回分析化学討論会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] ガラスナノピペットを用いたバイオイメージング2023

    • 著者名/発表者名
      高橋康史
    • 学会等名
      生体内情報計測・バイオイメージングのための 先端メディカルデバイス開発の最前線
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Super-resolution chemical imaging using scanning probe microscopy2022

    • 著者名/発表者名
      Yasufumi Takahashi
    • 学会等名
      Bioinspired Engineering and Biomechanics Center (BEBC) of Xi'an Jiaotong University seminar
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] ナノスケールの細胞機能評価を実現する走査型プローブ顕微鏡2022

    • 著者名/発表者名
      高橋康史
    • 学会等名
      細胞の局所コミュニティ研究会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] ガラスナノピペットを用いた機能性イメージング技術の創成2022

    • 著者名/発表者名
      高橋康史
    • 学会等名
      第37回マルチモーダルバイオイメージセンサ研究会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 走査型イオンコンダクタンス顕微鏡を用いた 単一オルガネラ回収技術の開発2022

    • 著者名/発表者名
      高橋康史
    • 学会等名
      表面界面スペクトロスコピー2022
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 走査型イオンコンダクタンス顕微鏡を用いた 単一オルガネラ回収技術の開発2022

    • 著者名/発表者名
      高橋康史
    • 学会等名
      第45回日本分子生物学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] ナノピペットを用いたライブセルイメージング・センシング2022

    • 著者名/発表者名
      高橋康史
    • 学会等名
      基盤医学特論 異分野融合推進セミナー 第2回
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Development of Organelle Collection Technology Using Nanopipette2022

    • 著者名/発表者名
      Yasufumi Takahashi
    • 学会等名
      6th NanoLSI Symposium
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] ナノ電極・ナノピペットを用いた電気化学イメージング技術の新展開2022

    • 著者名/発表者名
      高橋康史
    • 学会等名
      2022電気化学秋季大会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 単一オルガネラ分析に資する走査型プローブ顕微鏡の開発2022

    • 著者名/発表者名
      高橋康史
    • 学会等名
      第31回日本バイオイメージング学会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] ガラスナノピペットを利用した 新奇プローブ顕微鏡の開発と応用2022

    • 著者名/発表者名
      高橋康史
    • 学会等名
      FRIS/TI-FRIS Material Science Seminar
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 走査型プローブ顕微鏡による 超解像度ライブセルイメージング2022

    • 著者名/発表者名
      高橋康史
    • 学会等名
      九州大学理学研究院化学部門 分析化学特別講演会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 生細胞表面の超解像度形状イメージング技術の開発2022

    • 著者名/発表者名
      高橋康史
    • 学会等名
      ITbM/GTRコンソーシアムワークショップ
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演

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公開日: 2022-07-05   更新日: 2024-12-25  

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