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高分解能・高速バイポーラ電気化学顕微鏡による細胞間コミュニケーションの可視化

研究課題

研究課題/領域番号 23K23373
補助金の研究課題番号 22H02105 (2022-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2022-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分34020:分析化学関連
研究機関山梨大学

研究代表者

井上 久美  山梨大学, 大学院総合研究部, 准教授 (20597249)

研究分担者 鈴木 孝明  群馬大学, 大学院理工学府, 教授 (10378797)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円)
2024年度: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)
2023年度: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)
2022年度: 7,930千円 (直接経費: 6,100千円、間接経費: 1,830千円)
キーワードケミカルイメージング / バイオイメージング / バイポーラ電気化学 / 微小電極アレイ / 電気化学センサ / マイクロ電極アレイ / 三次元フォトリソグラフィ / カソード電気化学発光
研究開始時の研究の概要

本研究では、細胞間コミュニケーションの解明のための化学イメージングシステム開発の研究を行う。従来の電気化学顕微鏡の時間分解能と空間分解能の両立問題を解決する革新的な方法として発案し、原理検証を完了した「バイポーラ電気化学顕微鏡」について、高感度化、高解像度化、高速化のための研究を進め、神経細胞からのドーパミン放出など、単一細胞レベルの生体機能イメージングを行える革新的な観察プラットフォームとする。さらに、発光試薬の開拓や電極へのバイオ分子修飾により検出可能分子種の拡張を図り、広く生命科学研究に利用できる手法に発展させる。

研究実績の概要

高時間分解能達成のための高感度化の検討として、三次元リソグラフィ法のひとつである回転露光技術によって作製したテーパー孔アレイを用いる評価について、電極材料充填法の改善により均一発光の改良が進み、理論的な検証ができる状況が整った。その結果、検出溶液濃度条件によっては、理論通りの高感度化ができないことが分かった。このことを検証するため、アレイではなく単一バイポーラ電極系でバイポーラ電位を計測する詳細な検討を実施した。その結果、ルミノフォアの共反応物質濃度が重要であり、これは発光強度と二律背反的な関係にあるため、感度上昇のためには最適条件の検討を理論的および実験的に進める必要があることが分かった。
検出可能分子を拡張するための研究として、PDI-CH3/K2S2O8をカソーディックルミノフォアに用いる研究について、発光機構が従来の論文報告とは異なる機構であることがわかり、論文によりこれを提唱した。乳酸オキシダーゼ修飾電極とバイポーラ電気化学を組み合わせた手法について、駆動電極を発光させる方法での乳酸定量に成功した。
多孔質アルミナ膜の孔の検討について、共同研究企業において安定的に均一サイズの垂直貫通孔をもつ膜の作製検討が進み、代表研究者らによりこの孔へのカーボンペースト充填法の検討も進んだ。生きている細胞近辺の酸素濃度プロファイル取得についても検討を実施し、培養細胞加えて、動物組織や受精卵等への応用のための協力者を新たに得ることもできた。均一発光を得るために均一に導電性材料をマイクロ孔アレイに充填する方法として昨年度の成果である油圧卓上プレス機を用いる充填法(特許出願済)に加えて、膜処理等の効果を発見した。また、ふき取り法の検討についても、これまでの綿棒ふき取りでは難しかった膜表面のカーボンペーストを再現性良く拭きとれる方法の開発が進んだ。

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

当初の計画に加えて、バイポーラ電気化学系の動作について基礎的かつ重要な知見を得ることができた。また、多孔質アルミナの検討も進展し、高密度バイポーラ電極アレイの作製の検討が進んだほか、均一に導電性材料をマイクロ孔アレイに充填する方法の検討も進み、より正確な濃度分布イメージングが可能な技術開発が進んだ。他方、細胞から放出されるレベルの濃度のドーパミン定量については、PDI-CH3/K2S2O8をカソーディックルミノフォアに用いる検討の結果、発光機構が従来報告されているものとは異なること、カーボンペーストより金ペーストを利用すると輝度が大きく向上することを発見したが、金ペーストの安定性の問題により達成できていない。24年度に電解セルを購入し、電子スピン共鳴装置(ESR)を用いてPDI-CH3/K2S2O8の発光機構をより詳細に確認し、さらに電極材料やルミノフォアの検討を進めることで当初計画通り、生細胞からのドーパミン検出を実現する。

今後の研究の推進方策

高時間分解能達成のための高感度化の検討として、テーパー比とルミノフォア/共反応物質の濃度と検出感度との関係に関する検討を実施し、必要感度を得るための最適化に関する知見を得る。
検出可能分子を拡張するための研究として、PDI-CH3/K2S2O8をカソーディックルミノフォアに用いる検討を進め、細胞から放出されるレベルの濃度のドーパミンを定量できることを示す。電解セルを導入して、電子スピン共鳴装置(ESR)を用いてPDI-CH3/K2S2O8の発光機構の詳細を解明する。さらに、神経様細胞を用いてバイオ試料からのドーパミン検出が可能なことを示す。また、脳のエネルギー物質として重要な乳酸をイメージングするために、バイポーラ電極端での発光により乳酸定量ができる方法の検討を行う。
これらに加えて、多孔質アルミナ膜の孔の検討など、より高密度な電極アレイで均一発光を得るための電極充填法や発光基質の検討をさらに進める。そして、実証試験として、生きている細胞近辺の酸素濃度プロファイルを本手法で求めて、細胞の呼吸活性を算出する検討を進める。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (32件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (13件) (うちオープンアクセス 5件、 査読あり 6件) 学会発表 (15件) (うち国際学会 3件、 招待講演 1件) 図書 (1件) 備考 (2件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] Enhancement of Electrochemiluminescence by Au Paste Electrode for Bipolar Electroanalysis2024

    • 著者名/発表者名
      ENDO Ayane、KUBOTA Koki、ITO-SASAKI Takahiro、KOMATSU Mayo、IWAMA Tomoki、SHIKU Hitoshi、INOUE Kumi Y.
    • 雑誌名

      Electrochemistry

      巻: 92 号: 2 ページ: 022013-022013

    • DOI

      10.5796/electrochemistry.23-68114

    • ISSN
      1344-3542, 2186-2451
    • 年月日
      2024-02-09
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 蛍光色素における電気化学発光と蛍光特性の相関性2024

    • 著者名/発表者名
      久保田恒喜、遠藤彩音、井上(安田)久美
    • 雑誌名

      Chemical Sensors

      巻: 40 Suppl. A ページ: 7-9

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] C-reactive Protein Detection Using an Ion-sensitive Field-effect Transistor (ISFET)-based Aptasensor with a Chemically Modified Gate Surface for Improved Sensitivity2023

    • 著者名/発表者名
      Fakhruddin Siti Masturah binti、Inoue Kumi Y.、Esashi Masayoshi、Shiku Hitoshi
    • 雑誌名

      Sensors and Materials

      巻: 35 号: 10 ページ: 4797

    • DOI

      10.18494/SAM4570

    • ISSN
      0914-4935, 2435-0869
    • 年月日
      2023-10-25
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Bipolar Electrochemical Sensor with Perylene Diimide-Based Cathodic Luminophore for Dopamine Detection and Imaging2023

    • 著者名/発表者名
      Iwama Tomoki、Komatsu Mayo、Inoue Kumi Y.、Kubota Koki、Ito-Sasaki Takahiro、Shiku Hitoshi
    • 雑誌名

      SSRN

      巻: -

    • DOI

      10.2139/ssrn.4632693

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • オープンアクセス
  • [雑誌論文] クローズドバイポーラ電気化学顕微鏡の実現に向けた多孔質膜への導電性ペースト充填の検討2023

    • 著者名/発表者名
      井上(安田)久美、遠藤 彩音、久保田 恒喜、水庫 詩苑、伊藤 隆広、戸塚 友里
    • 雑誌名

      Chemical Sensors

      巻: 39 Suppl. B ページ: 88-90

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] 細胞間伝達物質のイメージングに向けた電気化学顕微鏡の開発(転載)2023

    • 著者名/発表者名
      井上(安田)久美
    • 雑誌名

      月間細胞

      巻: 55 ページ: 1071-1074

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] 細胞間伝達物質のイメージングに向けた電気化学顕微鏡の開発2023

    • 著者名/発表者名
      井上(安田)久美
    • 雑誌名

      Precision Medicine

      巻: 6 ページ: 654-658

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] バイポーラ電極を用いる電気化学バイオイメージング2023

    • 著者名/発表者名
      井上(安田) 久美
    • 雑誌名

      Chemical Sensors

      巻: 39 ページ: 10-21

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] クローズドバイポーラ電極-溶液間電位差計測による電気化学発光挙動の解析2023

    • 著者名/発表者名
      井上(安田) 久美、阿部 岳晃、久保田 恒喜、遠藤 彩音、戸塚 友理
    • 雑誌名

      Chemical Sensors

      巻: 39 Suppl. A ページ: 103-105

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] Droplet-free digital immunoassay based on electrochemiluminescence2023

    • 著者名/発表者名
      Kentaro Ito, Kumi Y. Inoue, Kosuke Ino, Hitoshi Shiku
    • 雑誌名

      Biosensors and Bioelectronics: X

      巻: 13 ページ: 100312-100312

    • DOI

      10.1016/j.biosx.2023.100312

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Highly Sensitive Electrochemical Endotoxin Sensor Based on Redox Cycling Using an Interdigitated Array Electrode Device2023

    • 著者名/発表者名
      Ito Kentaro、Inoue Kumi Y.、Ito-Sasaki Takahiro、Ikegawa Miho、Takano Shinichiro、Ino Kosuke、Shiku Hitoshi
    • 雑誌名

      Micromachines

      巻: 14 号: 2 ページ: 327-327

    • DOI

      10.3390/mi14020327

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] High-Sensitivity Amperometric Dual Immunoassay Using Two Cascade Reactions with Signal Amplification of Redox Cycling in Nanoscale Gap2022

    • 著者名/発表者名
      Ito Kentaro、Y Inoue Kumi、Ino Kosuke、Shiku Hitoshi
    • 雑誌名

      Analytical Chemistry

      巻: 94 号: 47 ページ: 16451-16460

    • DOI

      10.1021/acs.analchem.2c03921

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Fabrication of High-Density Vertical Closed Bipolar Electrode Arrays by Carbon Paste Filling Method for Two-Dimensional Chemical Imaging2022

    • 著者名/発表者名
      Iwama Tomoki、Inoue Kumi Y.、Shiku Hitoshi
    • 雑誌名

      Analytical Chemistry

      巻: 94 号: 25 ページ: 8857-8866

    • DOI

      10.1021/acs.analchem.1c05354

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 蛍光色素における電気化学発光と蛍光特性の相関性2024

    • 著者名/発表者名
      〇久保田 恒喜, 遠藤 彩音, 井上(安田)久美
    • 学会等名
      電気化学会第91回大会・第74回化学センサ研究発表会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] バイポーラ電気化学顕微鏡の発光シグナル増強のための金ペースト電極利用の検討2024

    • 著者名/発表者名
      〇遠藤 彩音(修士1年), 久保田 恒喜 , 井上(安田)久美
    • 学会等名
      電気化学会第91回大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Fabrication of vertical electrode array using carbon paste for bipolar electrochemical microscopy2023

    • 著者名/発表者名
      〇Kumi. Y. Inoue, Tomoki Iwama, Koki Kubota, Ayane Endo, Takahiro-Ito Sasaki, Yuri Totsuka, Shion Mizukura, Hitoshi Shiku
    • 学会等名
      14th Asian Conference on Chemical Sensors (ACCS 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] クローズドバイポーラー電気化学顕微鏡で用いる電極アレイ作製法の検討と電気化学的な評価2023

    • 著者名/発表者名
      〇久保田恒喜,水庫詩苑,伊藤(佐々木)隆広,戸塚友理,井上(安田)久美
    • 学会等名
      第69回ポーラログラフィーおよび電気分析化学討論会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] バイポーラ電気化学顕微鏡への応用に向けた電気化学発光を示す化学種の発光挙動調査2023

    • 著者名/発表者名
      〇久保田 恒喜・遠藤 彩音・井上(安田)久美
    • 学会等名
      日本分析化学会第72年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 金ペースト電極を用いるカソーディック電気化学発光強度増大のための検討2023

    • 著者名/発表者名
      〇遠藤 彩音・久保田 恒喜・井上(安田) 久美
    • 学会等名
      日本分析化学会第72年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] クローズドバイポーラ電気化学顕微鏡の実現に向けた 多孔質膜への導電性ペースト充填の検討2023

    • 著者名/発表者名
      〇井上(安田) 久美、遠藤 彩音、久保田 恒喜、 遠藤 彩音、伊藤 隆広、戸塚 友理
    • 学会等名
      電気化学会 2023電気化学秋季大会・第73回化学センサ研究発表会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Bipolar electrode array for dopamine imaging using cathodic luminophore for electrochemiluminescence2023

    • 著者名/発表者名
      〇Kumi Y. Inoue, Ayane Endo, Koki Kubota, Mayo Komatsu, Tomoki Iwama, Hitoshi Shiku
    • 学会等名
      74th Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ペースト圧力充填法を用いる クローズドバイポーラー電極アレイの作製と評価2023

    • 著者名/発表者名
      〇久保田 恒喜, 戸塚 友理, 遠藤 彩音, 長沼 龍生, 岩間 智紀, 桑原 哲夫, 井上久美
    • 学会等名
      第83回分析化学討論会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] クローズドバイポーラ電極-溶液間電位差計測による電気化学発光挙動の解析2023

    • 著者名/発表者名
      井上(安田) 久美、阿部 岳晃、久保田 恒喜、遠藤 彩音、戸塚 友理
    • 学会等名
      電気化学会第90回大会・第72回化学センサ研究発表会(東北工業大学八木山キャンパス)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] バイポーラ電気化学顕微鏡素子としての高密度クローズドバイポーラ電極アレイ作製法の検討2022

    • 著者名/発表者名
      井上 久美、久保田 恒喜、岩間 智紀、戸塚 友理、遠藤 彩音、桑原 哲夫
    • 学会等名
      第32回日本MRS年次大会(産業貿易センター1F マリネリア1)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 導電性ペーストに分散させたカソ―ディックルミノフォアからの電気化学発光の高輝度化2022

    • 著者名/発表者名
      久保田 恒喜, 遠藤 彩音, 小松 万葉, 岩間 智紀,井上(安田)久美
    • 学会等名
      第68回ポーラログラフィーおよび電気分析化学討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] バイポーラ電気化学顕微鏡で用いる発光基質の酸化還元電位と電気化学発光の関係2022

    • 著者名/発表者名
      阿部岳晃,岩間智紀,小松万葉,久保田恒喜,遠藤彩音,戸塚友里,珠玖 仁,井上(安田)久美
    • 学会等名
      第68回ポーラログラフィーおよび電気分析化学討論会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Bipolar electrochemical microscopy for real-time chemical imaging using nanocarbon paste microelectrode array2022

    • 著者名/発表者名
      Kumi. Y. Inoue, Tomoki Iwama, Koki Kubota, Ryusei Naganuma, Hitoshi Shiku
    • 学会等名
      73rd Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry(online)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 微小貫通孔アレイへの導電性ペースト充填法の提案2022

    • 著者名/発表者名
      久保田 恒喜、戸塚 友理、遠藤 彩音、長沼 龍生、岩間 智紀、桑原 哲夫、井上 久美
    • 学会等名
      2022年電気化学秋季大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [図書] 近未来のデジタルヘルスを支える酵素バイオ技術2022

    • 著者名/発表者名
      冨永昌人
    • 総ページ数
      410
    • 出版者
      シーエムシー出版
    • ISBN
      9784781316604
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [備考] 山梨大学井上研究室HP Publications

    • URL

      https://www.ccn.yamanashi.ac.jp/~inokumi/paper/index.html

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] 山梨大学研究者総覧

    • URL

      https://eradb-ref.yamanashi.ac.jp/html/100007807_ja.html

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [産業財産権] 構造体の製造方法及び構造体の製造装置2022

    • 発明者名
      久保田 恒喜、遠藤 彩音、戸塚 友理、井上 久美
    • 権利者名
      国立大学法人山梨大学
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2022-135338
    • 出願年月日
      2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

URL: 

公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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