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2016 年度 実施状況報告書

オンチップ免疫粒子電気泳動原理によるヒト乳がんエクソソームの1粒子解析

研究課題

研究課題/領域番号 16K04915
研究機関東京大学

研究代表者

赤木 貴則  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 講師 (80401149)

研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2019-03-31
キーワードエクソソーム / マイクロ流体デバイス / 細胞外小胞 / 細胞外微粒子 / マイクロベシクル / 乳がん / ゼータ電位 / 粒径
研究実績の概要

体液による高信頼性診断のマーカーとして注目を集める細胞外微粒子である「エクソソーム」の解析法について研究を行った。エクソソームを用いる実験に先立ち、直径30nmの微小なエクソソーム計測を可能にする性能向上を目指して、チップ型エクソソーム解析システムの光学系の最適化を検討した。測定条件および画像解析法を改善し、サイズ標準ポリスチレンビーズを用いて評価したところ、従来では50nm以上だった検出感度を、30nm以上までに改善した。
この条件を用いて、ヒト乳がん細胞株のうち、悪性度の指標として知られる表面HER2タンパク質の発現量が高い細胞株 (SK-BR-3とBT474細胞)と低い細胞株(MDA-MB-231とMCF7細胞)に由来するエクソソームを含む細胞外小胞(EV)の粒径分布とゼータ電位の計測実験に着手した。エクソソーム試料は、細胞を無血清培地で48時間培養した後の培養上清から分画遠心法で精製した。得られた分画試料に含まれる粒子の粒径とゼータ電位をチップ型エクソソーム解析システムで計測した。1mlあたり1億個の粒子となるように濃度を調整し、分析チップのマイクロ流路に導入し、暗視野光学系で検出した。ブラウン運動解析は粒子の重心位置をトラッキングして拡散係数を求め、アインシュタイン・ストークスの式により算出した。その結果、4種類全ての細胞株から分泌されたEV試料中に、30-50nmの粒子が全体の60%程度存在することを確認した。従来装置では得られなかった粒径分布を正確に把握できることが示された。また、粒子電気泳動実験を応用することにより、30nmまでの粒子の粒径とゼータ電位を計測できることを確認した。得られた成果は、雑誌論文1件、学会発表16件(国際学会7件、国内学会9件)、図書2件として発表した。

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

EVの計測実験に先立って、チップ型エクソソーム解析システム試作機の光学系を最適化し、30nmまでのエクソソームの計測を可能にするべく検出感度の改善を検討した。その結果、これまでの50nm以上の検出感度を30nm以上に改善した。
この条件を用いて、ヒト乳がん細胞株のうち、悪性度の指標として知られる表面HER2タンパク質の発現量が高い細胞株 (SK-BR-3とBT474細胞)と低い細胞株(MDA-MB-231とMCF7細胞)の粒径とゼータ電位の計測を行った。エクソソーム試料は以下の手順で準備した。細胞を無血清培地で48時間培養し、その培養上清を分画遠心法で分離、精製した。具体的には、まず、細胞片などの大きい粒子を取り除くため、培養上清を300×g で10 分、2,000×g で20 分、10,000×g で100 分遠心した。エクソソームを含む上清を100,000×g で200 分遠心してエクソソームを沈降させた。10 mM HEPES 緩衝液で懸濁した後100,000×g で200 分遠心して、エクソソームを含む細胞外小胞(EV)の分画を得た。EV分画を10 mM HEPES 緩衝液で懸濁した。分析チップのマイクロ流路にEV試料を流し込み、個々のEVのサイズおよびゼータ電位を解析した。粒径分布は、ブラウン運動解析から得られる拡散係数からアインシュタイン・ストークスの式を用いて算出した。また、パーティクル電気泳動実験により得られる電気泳動移動度(EPM)からヘンリーの式を用いて算出した。4種類全ての細胞株についてEVに30nmまでの粒子が存在し、その粒径とゼータ電位を計測できることを明らかにした。また、エクソソームマーカータンパク質であるCD9、CD63、CD81、HSP70およびHER2の発現量について、ウェスタンブロットによる解析に着手した。

今後の研究の推進方策

前年度に引き続き、改良したチップ型エクソソーム解析システム試作機を用いて、4種類の乳がん細胞株由来のEVの粒径およびゼータ電位の測定実験を行う。加えて、抗体を用いる免疫粒子電気泳動に着手し、タンパク質発現量を微量のサンプルで評価できる可能性についての検討を開始する。ウェスタンブロット解析の条件検討は前年度に引き続き進める。これらの表面タンパク質に関する検討は、まずエクソソームマーカータンパク質であるCD9と乳がん悪性度マーカータンパク質であるHER2について進め、その後CD63、CD81、HSP70などの他のタンパク質についても検討する。
また、本手法のエクソソーム診断への応用可能性の検討に向けて、培養上清由来エクソソームとヒト体液を混合したスパイクモデルについての検討に着手する。

  • 研究成果

    (19件)

すべて 2017 2016

すべて 雑誌論文 (1件) 学会発表 (16件) (うち国際学会 7件) 図書 (2件)

  • [雑誌論文] Characterization of EVs by on-chip Immunoelectrophoresis2017

    • 著者名/発表者名
      Takanori Akagi, Takanori Ichiki
    • 雑誌名

      Methods in Molecular Biology, Extracellular Vesicles: Methods and Protocols

      巻: 印刷中 ページ: 印刷中

  • [学会発表] 生体ナノ粒子の1粒子解析法の開発ー迅速測定に向けてー2017

    • 著者名/発表者名
      鬼柳 知、赤木 貴則、一木 隆範
    • 学会等名
      第64回応用物理学会春季学術講演会、16p-F205-2、、年3月16日
    • 発表場所
      パシフィコ横浜、横浜市
    • 年月日
      2017-03-16
  • [学会発表] マイクロ流体デバイスを用いた50 nm以下のナノ粒子の測定2017

    • 著者名/発表者名
      岡村 怜、木下 ひろみ、末弘 庸子、赤木 貴則、一木 隆範
    • 学会等名
      第64回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      パシフィコ横浜、横浜市
    • 年月日
      2017-03-16
  • [学会発表] Single exosome analysis based on microfluidic chip technology2017

    • 著者名/発表者名
      T. Akagi, and T. Ichiki
    • 学会等名
      11th Annual Symposium on Nanobiotechnology 2017
    • 発表場所
      Kawasaki City Industrial Promotion Hall, Kanagawa, JAPAN
    • 年月日
      2017-02-26 – 2017-02-28
    • 国際学会
  • [学会発表] バイオマーカー探索に向けたチップ型エクソソーム解析装置の開発2017

    • 著者名/発表者名
      赤木貴則、一木隆範
    • 学会等名
      東京大学医学部附属病院先端医療シーズ開発フォーラム2017-新しい医療制度におけるイノベーションの推進
    • 発表場所
      東京大学伊藤国際学術研究センター、東京都文京区
    • 年月日
      2017-02-02
  • [学会発表] エクソソーム計測システムの評価2016

    • 著者名/発表者名
      鬼柳 知、赤木 貴則、一木 隆範
    • 学会等名
      第26回日本MRS年次大会、D5-O20-009、年月、口頭発表
    • 発表場所
      横浜市開港記念会館、横浜市
    • 年月日
      2016-12-20
  • [学会発表] オンチップ電気泳動システムを用いた三種類の培地での培養後のヒト胎児腎細胞の細胞外小胞のゼータ電位の評価2016

    • 著者名/発表者名
      岡村 怜、赤木 貴則、一木 隆範
    • 学会等名
      」第26回日本MRS年次大会
    • 発表場所
      産業貿易センタービル、横浜市
    • 年月日
      2016-12-20
  • [学会発表] Evaluation of diameter and surface proteins of individual extracellular vesicles using microcapillary chips2016

    • 著者名/発表者名
      T. Akagi, H. Kishita, Y. Suehiro, S. Oniyanagi and T. Ichiki
    • 学会等名
      3rd COINS Int’l Symp., Towards Smart Health Society -Challenge of Kawasaki based Medical Innovation- December 15, 2016 (p.36, P-14, December 15, 2016,
    • 発表場所
      Kawasaki City Industrial Promotion Hall, Kanagawa, JAPAN
    • 年月日
      2016-12-15
    • 国際学会
  • [学会発表] マイクロ流路チップを用いるヒト乳がんSkBr3細胞由来エクソソームの1粒子解析2016

    • 著者名/発表者名
      赤木 貴則、木下 ひろみ、末弘 庸子、一木 隆範
    • 学会等名
      第29回日本動物実験代替法学会
    • 発表場所
      九州大学百年講堂、福岡市
    • 年月日
      2016-11-16
  • [学会発表] Measurement of the surface protein level and diameter of individual extracellular vesicles of human breast cancer cells on a microfluidic chip2016

    • 著者名/発表者名
      T. Akagi, H. Kishita, Y. Suehiro, S. Oniyanagi and T. Ichiki
    • 学会等名
      29th Int’l Microprocesses and Nanotechnology Conf. (MNC2016)
    • 発表場所
      ANA Crowne Plaza Kyoto, Kyoto, JAPAN
    • 年月日
      2016-11-08 – 2016-11-11
    • 国際学会
  • [学会発表] Simultaneous evaluation of diameter and protein expression of individual exosomes using a microcapillary chips towards exosomal biomarker research2016

    • 著者名/発表者名
      T. Akagi, H. Kishita, Y. Suehiro, and T. Ichiki
    • 学会等名
      The 20th Int’l Conf. on Miniaturized Systems for Chemistry and Life sciences (Micro Total Analysis Systems 2016)
    • 発表場所
      Convention Center Dublin, Dublin, IRELAND
    • 年月日
      2016-10-09 – 2016-10-13
    • 国際学会
  • [学会発表] Extracellular vesicle separation based on surface proteins using a micro free-flow electrophoresis device2016

    • 著者名/発表者名
      S. Oniyanagi, R. Kubota, T. Akagi, and T. Ichiki
    • 学会等名
      The 20th Int’l Conf. on Miniaturized Systems for Chemistry and Life sciences (Micro Total Analysis Systems 2016)
    • 発表場所
      Convention Center Dublin, Dublin, IRELAND
    • 年月日
      2016-10-09 – 2016-10-13
    • 国際学会
  • [学会発表] ヒト胎児腎HEK293細胞の細胞外小胞分泌に及ぼす培養条件の影響2016

    • 著者名/発表者名
      岡村 怜、木下 ひろみ、末弘 庸子、赤木 貴則、一木 隆範
    • 学会等名
      第77回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      朱鷺メッセ、新潟市
    • 年月日
      2016-09-13
  • [学会発表] 細胞外小胞のサブタイピングを実現する1粒子表面タンパク質計測法の開発2016

    • 著者名/発表者名
      赤木 貴則、木下 ひろみ、末弘 庸子、鬼柳 知、一木 隆範
    • 学会等名
      第8回日本RNAi研究会、第3回日本細胞外小胞学会
    • 発表場所
      グランドプリンスホテル広島、広島市
    • 年月日
      2016-09-01
  • [学会発表] 細胞外小胞の選択的分離に向けたマイクロ流体デバイスの開発2016

    • 著者名/発表者名
      赤木 貴則, 久保田 涼介, 鬼柳 知, 一木 隆範
    • 学会等名
      平成28年電気学会E部門総合研究会
    • 発表場所
      金沢市文化ホール、金沢市
    • 年月日
      2016-06-30
  • [学会発表] Atomic force microscopy observation of extracellular vesicles immobilized on polyethylene glycol-lipid-modified surface in a microfluidic channel2016

    • 著者名/発表者名
      T. Akagi, M. Kobayashi, M. Sasaki, M. Sumikawa, H. Kuramochi, and T. Ichiki
    • 学会等名
      33rd Int’l Conf. of Photopolymer Science and Technology (ICPST-33)
    • 発表場所
      International Convention Hall, Makuhari Messe, Chiba, JAPAN
    • 年月日
      2016-06-22 – 2016-06-24
    • 国際学会
  • [学会発表] A microfluidic chip system for profiling individual extracellular vesicles2016

    • 著者名/発表者名
      T. Ichiki, S. Oniyanagi and T. Akagi
    • 学会等名
      5th Annual Meeting of the Int’l Society for Extracellular Vesicles (ISEV2016)
    • 発表場所
      De Doelen Conference Center of Rotterdam, Rotterdam, NETHERLANDS
    • 年月日
      2016-05-04 – 2016-05-07
    • 国際学会
  • [図書] Evaluation of zeta-potential of individual exosomes secreted from biological cells" in Encyclopedia of Biocolloid and Biointerface Science (Edited by H. Ohshima), Vol. 1, Chapter 372016

    • 著者名/発表者名
      T. Akagi and T. Ichiki
    • 総ページ数
      5
    • 出版者
      John Wiley & Sons, Inc.
  • [図書] "On-chip electrophoresis for evaluating zeta-potential of nanoliposomes" in Encyclopedia of Biocolloid and Biointerface Science (Edited by H. Ohshima), Vol. 1, Chapter 672016

    • 著者名/発表者名
      T. Akagi and T. Ichiki
    • 総ページ数
      4
    • 出版者
      John Wiley & Sons, Inc.

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公開日: 2018-01-16  

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