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2019 年度 実績報告書

新概念高速液流気液界面プラズマによる短寿命活性種バイオサイエンスの基盤確立

研究課題

研究課題/領域番号 18H03687
研究機関東北大学

研究代表者

金子 俊郎  東北大学, 工学研究科, 教授 (30312599)

研究分担者 立川 正憲  徳島大学, 大学院医歯薬学研究部(薬学域), 教授 (00401810)
神崎 展  東北大学, 医工学研究科, 准教授 (10272262)
宮本 浩一郎  東北大学, 工学研究科, 准教授 (70447142)
高島 圭介  東北大学, 工学研究科, 助教 (70733161)
研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2022-03-31
キーワード気液界面プラズマ / 短寿命活性種 / 細胞応答 / 高速液流 / マイクロ流路
研究実績の概要

本研究では,極短寿命活性種による細胞応答の機序解明と生命機能制御の学術基盤を創成することを目的としている.これまでの成果を踏まえて,2019年度は以下の成果を得た.
1.気液界面プラズマで生成される極短寿命活性種の選択計測手法の確立:これまでに,高速液流中での短寿命活性種の時空間分解計測により,高時間分解(~0.1 ms)でOHラジカルの減衰を測定することに成功している.本年度は第一に,この実験結果に対する理論モデルの構築を行った.一定の気液界面OHフラックスを仮定した反応拡散モデルから得られたOHの表面局在分布と,長寿命活性種による消費を考慮することによって,実験で得られたOHの減衰と計算結果が良い一致を示した.従って,今回構築した反応拡散モデルはプラズマ生成OH挙動を予測する上で有用なモデルであるといえる.第二に,気液界面局在のために低吸光度となる水和電子を観測するためのレーザーキャビティリングダウン分光システムを構築し,本年度は気相中の低吸光度活性種の計測を行った.
2.高速液流への高密度短寿命活性種供給気液界面プラズマ発生技術の開発:これまでに開発した高速液流に高密度活性種を供給できるプラズマ装置において,ガス種としてヘリウムおよび空気を用いることで,気相中に生成される活性酸素・窒素種を変化させ,高速液流中で生成される短寿命活性種の組成を制御できることを示した.さらに,これらの制御された短寿命活性種を病原菌およびアミノ酸に照射することで,活性種組成による殺菌や修飾の作用機序の差異を明らかにした.
3.高速液流中の短寿命活性種の細胞への選択的作用手法の確立と細胞応答機序解明:これまでに確立した微小流路内の高速液流に対して液中プラズマ照射とpH・活性種計測を行うシステムを用いて,微小流路内にアミノ酸および細胞を流して,短寿命活性種組成による修飾や膜輸送の変化を明らかにした.

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

気液界面プラズマにより高速液流中で生成される極短寿命活性種の計測と理論モデルの構築に成功し,極短寿命活性種のOHラジカルの液流中での挙動を明らかにした.一方で,プラズマを生成するガス種としてヘリウムおよび空気を用いることで,気相中に生成される活性酸素・窒素種を変化させ,高速液流中で生成される短寿命活性種の組成を制御できることを示した.さらに,これらの制御された短寿命活性種を病原菌およびアミノ酸に照射することで,活性種組成による殺菌や修飾の作用機序の差異を明らかにした.
以上の理由により,おおむね順調であると言える.

今後の研究の推進方策

2019年度までの成果を踏まえて,今後は以下の研究を推進する.
1.これまでに,高速液流中でOHラジカル等の極短寿命活性種の時空間分解計測を実施し,さらに水和電子の吸収分光を行うためのレーザーキャビティリングダウン分光システム(CRDS)を構築してきた.2020年度は,CRDSを用いて水和電子等の極短寿命活性種の時空間分解計測の実現を目指し,液流中CRDS計測のための実験系確立と液流中吸光度計測を実施する.さらに化学プローブ法を併用して(活性種と標識分子の付加体の吸収分光),種々の極短寿命活性種の選択計測の実現を目指す.
2.これまでに,「荷電粒子エネルギー制御プラズマ」によりイオンおよび電子をエネルギー制御して導電性液体の高速液流に照射するとともに,「帯電反転制御プラズマ」を用いて純水および導電性液体の境界面で種々の活性種を高密度に生成して高速液流中に供給できる装置を構築してきた.2020年度は,高速液流に供給する短寿命活性種をこれまでの活性酸素種,活性窒素種から活性塩素種,活性硫黄種にも拡張することを目指し,これまで開発してきた二つの気液界面プラズマ発生装置を駆使して,供給するガス種および高速液流の液体種を制御して実験を行う.
3.これまでに,微小流路内の高速液流に対して,上流域で液中プラズマを照射して下流域でpHおよび各寿命の活性種の計測を行うとともに,微小流路内にアミノ酸や細胞を同様に流して短寿命活性種の効果を調べるシステムを構築してきた.2020年度は,微小流路途中に細胞を配置するシステムを構築し,細胞配置位置を変更することで極短寿命活性種の細胞への作用を明らかにする.細胞応答は細胞内へのカルシウムイオンの流入をリアルタイムイメージングにより調べ,また活性種作用後の細胞を回収し細胞中のタンパク質変性解析から極短寿命活性種の細胞内での反応対象を明らかにする.

  • 研究成果

    (52件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (7件) (うち査読あり 7件) 学会発表 (43件) (うち国際学会 19件、 招待講演 10件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] The University of Minnesota/Old Dominion University(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      The University of Minnesota/Old Dominion University
  • [雑誌論文] Characterization of middle-molecule introduction into cells using mm-scale discharge in saline2020

    • 著者名/発表者名
      R. Honda, S. Sasaki, K. Takashima,M. Kanzaki, T. Sato, and T. Kaneko
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 59 ページ: 040904-1-4

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ab7d7e

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Apparent reduced electric field control with nanosecond pulse width in a DC discharge for nitrogen vibrational excitation2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Kunishima, K. Takashima, and T. Kaneko
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 58 ページ: 060908-1-5

    • DOI

      10.7567/1347-4065/ab1e58

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Humidification effect of air plasma effluent gas on suppressing conidium germination of a plant pathogenic fungus in the liquid phase2019

    • 著者名/発表者名
      K. Shimada, K. Takashima, Y. Kimura, K. Nihei, H. Konishi, and T. Kaneko
    • 雑誌名

      Plasma Processes and Polymers

      巻: 17 ページ: 1900004-1-15

    • DOI

      10.1002/ppap.201900004

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Improvement in growth yield of single-walled carbon nanotubes with narrow chirality distribution by pulse plasma CVD2019

    • 著者名/発表者名
      B. Xu, T. Kaneko, and T. Kato
    • 雑誌名

      Frontiers of Chemical Science and Engineering

      巻: 13 ページ: 485-492

    • DOI

      10.1007/s11705-019-1831-2

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Synthesis of endohedral-fullerenes using laser ablation plasma from solid material and vaporized fullerenes2019

    • 著者名/発表者名
      H. Itagaki, Y. Fujiwara, Y. Minowa, Y. Ikehara, T. Kaneko, T. Okazaki, Y. Iizumi, J. Kim, and H. Sakakita
    • 雑誌名

      AIP Advances

      巻: 9 ページ: 075324-1-7

    • DOI

      10.1063/1.5100980

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Nucleation dynamics of single crystal WS2 from droplet precursors uncovered by in-situ monitoring2019

    • 著者名/発表者名
      C. Li, T. Kameyama, T. Takahashi, T. Kaneko, T. Kato
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 9 ページ: 12958-1-7

    • DOI

      10.1038/s41598-019-49113-0

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Quantitative evaluation of reactive oxygen and chlorine species generated by discharge in PBS2019

    • 著者名/発表者名
      R. Honda, S. Sasaki, K. Takashima, T. Sato, and T. Kaneko
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 58 ページ: 106002-1-6

    • DOI

      10.7567/1347-4065/ab4571

    • 査読あり
  • [学会発表] 気液界面非平衡プラズマの局所反応場創成と材料・生命科学への展開2020

    • 著者名/発表者名
      金子 俊郎
    • 学会等名
      自然科学研究機構「自然科学における階層と全体」シンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] 大気圧プラズマが拓く未来技術 -ライフサイエンスへの展開-2020

    • 著者名/発表者名
      金子 俊郎
    • 学会等名
      千葉大学「高い教養を涵養する特論」第15回
    • 招待講演
  • [学会発表] 機能性窒素:非平衡プラズマで創る新奇反応性窒素とその応用2020

    • 著者名/発表者名
      金子 俊郎
    • 学会等名
      応用物理学会プラズマエレクトロニクス分科会 第33回プラズマ新領域研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] プラズマ活性ガスによるシロイヌナズナの漏出電解質の評価2020

    • 著者名/発表者名
      A.Shahir A.Nor , 高島 圭介 , 金子 俊郎
    • 学会等名
      第67回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 液相中プラズマ直接照射による薬剤模擬分子導入の作用機序に関する研究2020

    • 著者名/発表者名
      本田 竜介,佐々木 渉太,高島 圭介,神崎 展,佐藤 岳彦,金子 俊郎
    • 学会等名
      第67回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] プラズマ誘導Ca2+応答の作用因子・活性イオンチャネルの解明2020

    • 著者名/発表者名
      赤澤 拓斗,佐々木 渉太,本田 竜介,金子 俊郎
    • 学会等名
      第67回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 大気圧プラズマ処理によって生成されたチロシン由来生成物の分析2020

    • 著者名/発表者名
      柳澤 真穂,佐々木 渉太,赤澤 拓斗,金子 俊郎
    • 学会等名
      第67回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 高速液流導入大気圧プラズマを用いた液相OHラジカルの時空間分布測定2020

    • 著者名/発表者名
      佐々木 渉太,羅 文承,本田 竜介,高島 圭介,金子 俊郎
    • 学会等名
      第67回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 高速液流気液界面プラズマにおける液相活性種局在領域の解析的評価2020

    • 著者名/発表者名
      髙島 圭介,佐々木 渉太,金子 俊郎
    • 学会等名
      第67回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 窒素振動励起非自己維持直流放電プラズマ中の温度観測2020

    • 著者名/発表者名
      國嶋 友貴,高島 圭介,金子 俊郎
    • 学会等名
      日本物理学会第75回年次大会
  • [学会発表] プラズマ-液相境界の物理・化学相互作用2020

    • 著者名/発表者名
      金子 俊郎
    • 学会等名
      日本物理学会第75回年次大会
    • 招待講演
  • [学会発表] Dominant Factors of In-Liquid Micro Plasma for Drug Introduction into Cells2019

    • 著者名/発表者名
      R. Honda , S. Sasaki , K. Takashima , M. Kanzaki , T. Sato and T. Kaneko
    • 学会等名
      The 10th International Workshop on Microplasmas (IWM-10)
    • 国際学会
  • [学会発表] Chemical modification of tyrosine by atmospheric pressure plasma exposure2019

    • 著者名/発表者名
      S. Sasaki , K. Takashima , Y. Kimura , M. Yanagisawa , and T. Kaneko
    • 学会等名
      24th International Symposium on Plasma Chemistry
    • 国際学会
  • [学会発表] Drug introduction into cells using direct exposure of gas-liquid interfacial plasmas2019

    • 著者名/発表者名
      R. Honda , S. Sasaki , K. Takashima , M. Kanzaki , T. Sato and T. Kaneko
    • 学会等名
      24th International Symposium on Plasma Chemistry
    • 国際学会
  • [学会発表] The molecule introduction into cells by in-liquid plasma irradiation and investigation of the key factor for introduction2019

    • 著者名/発表者名
      R. Honda , S. Sasaki , K. Takashima , M. Kanzaki , T. Sato , and T. Kaneko
    • 学会等名
      The 6th Japan-Taiwan Workshop on Plasma Life Science and Technology
    • 国際学会
  • [学会発表] Tyrosine derivatives generation by atmospheric pressure plasma exposure2019

    • 著者名/発表者名
      S. Sasaki , K. Takashima , M. Yanagisawa , and T. Kaneko
    • 学会等名
      The 6th Japan-Taiwan Workshop on Plasma Life Science and Technology
    • 国際学会
  • [学会発表] Investigation of plasma effluent gas-dissolved-solution for suppressing Colletotrichum gloeosporioides conidia germination2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Hu , K. Nihei , T. Goto , K. Takashima , T. Kaneko
    • 学会等名
      The Joint Conference of XXXIV International Conference on Phenomena in Ionized Gases (XXXIV ICPIG) and the 10th International Conference on Reactive Plasmas (ICRP-10)
    • 国際学会
  • [学会発表] Decay Measurement of OH Radical in Plasma-exposed Water Using High-speed Liquid Flow2019

    • 著者名/発表者名
      W. Luo , S. Sasaki , R. Honda , T. Kaneko
    • 学会等名
      The Joint Conference of XXXIV International Conference on Phenomena in Ionized Gases (XXXIV ICPIG) and the 10th International Conference on Reactive Plasmas (ICRP-10)
    • 国際学会
  • [学会発表] Arabidopsis Thaliana sensitivity and response to an air plasma effluent gas2019

    • 著者名/発表者名
      A. Shahir A. Nor , K. Takashima , T. Kaneko
    • 学会等名
      The Joint Conference of XXXIV International Conference on Phenomena in Ionized Gases (XXXIV ICPIG) and the 10th International Conference on Reactive Plasmas (ICRP-10)
    • 国際学会
  • [学会発表] Reactive oxygen nitrogen species induced reactions at the gas-liquid interface by air plasma effluent gas2019

    • 著者名/発表者名
      K. Takashima , S. Sasaki , Y. Kimura , T. Kaneko
    • 学会等名
      The Joint Conference of XXXIV International Conference on Phenomena in Ionized Gases (XXXIV ICPIG) and the 10th International Conference on Reactive Plasmas (ICRP-10)
    • 国際学会
  • [学会発表] Short-lived reactive oxygen nitrogen species continuously generated in plasma-exposed solution activates TRP channels and drug uptake2019

    • 著者名/発表者名
      S. Sasaki , M. Kawase , M. Kanzaki , T. Kaneko
    • 学会等名
      The Joint Conference of XXXIV International Conference on Phenomena in Ionized Gases (XXXIV ICPIG) and the 10th International Conference on Reactive Plasmas (ICRP-10)
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of Nitrogen Vibrational Excitation Plasma Source with Non-Self-Sustaining DC Discharge2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Kunishima , K. Takashima , and T. Kaneko
    • 学会等名
      The Joint Conference of XXXIV International Conference on Phenomena in Ionized Gases (XXXIV ICPIG) and the 10th International Conference on Reactive Plasmas (ICRP-10)
    • 国際学会
  • [学会発表] In-Solution Type Plasma Device for Highly-Efficient Drug Transfer2019

    • 著者名/発表者名
      R. Honda , S. Sasaki , K. Takashima , M. Kanzaki , T. Sato , and T. Kaneko
    • 学会等名
      The Joint Conference of XXXIV International Conference on Phenomena in Ionized Gases (XXXIV ICPIG) and the 10th International Conference on Reactive Plasmas (ICRP-10)
    • 国際学会
  • [学会発表] Tyrosine treatment with humidified He plasma plume and air plasma effluent gas2019

    • 著者名/発表者名
      M. Yanagisawa , S. Sasaki , T. Akazawa , T. Kaneko
    • 学会等名
      2019年度電気関係学会東北支部連合大会
  • [学会発表] Absorption measurement on liquid phase reaction of plasma induced reactive species2019

    • 著者名/発表者名
      H. Minato , S. Sasaki , K. Takashima , T. Kaneko
    • 学会等名
      2019年度電気関係学会東北支部連合大会
  • [学会発表] Gas-Liquid Interfacial Plasmas Yielding Short-Lived Reactive Species for Medical and Agricultural Applications2019

    • 著者名/発表者名
      T. Kaneko , S. Sasaki , K. Takashima , R. Honda , M. Kanzaki
    • 学会等名
      The 12th Asian-European International Conference on Plasma Surface Engineering
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Investigation of Ca2+ response in cancer cell induced by plasma-generated reactive species2019

    • 著者名/発表者名
      T. Akazawa , S. Sasaki , R. Honda and T. Kaneko
    • 学会等名
      The 12th Asian-European International Conference on Plasma Surface Engineering
    • 国際学会
  • [学会発表] Suppressing Colletotrichum gloeosporioides conidia germination with O3 dissolved in plasma-effluent-gas dissolved solution2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Hu , K. Takashima , A. Shahir A. Nor , K. Nihei , T. Goto , T. Kaneko
    • 学会等名
      The 12th Asian-European International Conference on Plasma Surface Engineering
    • 国際学会
  • [学会発表] 気液界面プラズマの基礎と応用2019

    • 著者名/発表者名
      金子 俊郎
    • 学会等名
      第13回プラズマエレクトロニクスインキュベーションホール
    • 招待講演
  • [学会発表] プラズマ処理高速液流中短寿命活性種の生成・消滅機構解明2019

    • 著者名/発表者名
      羅 文承,佐々木 渉太,本田 竜介,金子 俊郎
    • 学会等名
      2019年日本物理学会秋季大会(物性)
  • [学会発表] 大気圧空気プラズマを用いた低残留植物病害防除法の開発2019

    • 著者名/発表者名
      金子 俊郎 , 二瓶 健司 , 胡 ゲツ , アハマドシャヒー アハマドノール , 高島 圭介
    • 学会等名
      第70回日本生物工学会
    • 招待講演
  • [学会発表] プラズマ修飾反応前駆体の生成制御と生物応答2019

    • 著者名/発表者名
      髙島 圭介,佐々木 渉太,金子 俊郎
    • 学会等名
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] 高速液流導入大気圧プラズマを用いた液相 OH ラジカルの高時間分解測定2019

    • 著者名/発表者名
      佐々木 渉太,羅 文承,本田 竜介,高島 圭介,金子 俊郎
    • 学会等名
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] プラズマ直接照射による短寿命活性種の供給とがん細胞 Ca2+応答への影響2019

    • 著者名/発表者名
      赤澤 拓斗,佐々木 渉太,本田 竜介,金子 俊郎
    • 学会等名
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 加湿ヘリウムプラズマプルームと空気プラズマ活性ガスによって生成されるチロシン誘導体2019

    • 著者名/発表者名
      柳澤 真穂 , 佐々木 渉太 , 赤澤 拓斗 , 金子 俊郎
    • 学会等名
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] Rotational Temperature Evolution in Non-Self-Sustaining DC Discharge Plasma Source for Nitrogen Vibrational Excitation2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Kunishima , K. Takashima , and T. Kaneko
    • 学会等名
      The 72nd Annual Gaseous Electronics Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] Air Plasma Generation with an Electrically Conductive Liquid Column Jet2019

    • 著者名/発表者名
      K. Takashima , N. Kenji , and T.Kaneko
    • 学会等名
      The 72nd Annual Gaseous Electronics Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] Effects of Plasma-Generated Reactive Species with Different Working Gases on Reaction of Tyrosine2019

    • 著者名/発表者名
      T. Kaneko , M. Yanagisawa , K. Takashima , S. Sasaki
    • 学会等名
      The 72nd Annual Gaseous Electronics Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] 気液海面プラズマモデルとしての過酸化亜硝酸生成の温度依存性の測定2019

    • 著者名/発表者名
      H. Minato , S. Sasaki , K. Takashima , T. Kaneko
    • 学会等名
      第29回日本MRS年次大会
  • [学会発表] 加湿ヘリウムプラズマと空気プラズマによって生成されたチロシン誘導体の比較2019

    • 著者名/発表者名
      M. Yanagisawa , S. Sasaki , T. Akazawa , T. Kaneko
    • 学会等名
      第29回日本MRS年次大会
  • [学会発表] 液相中プラズマによる分子導入因子の探索2019

    • 著者名/発表者名
      R. Honda , S. Sasaki , K. Takashima , M. Kanzaki , T. Sato , and T. Kaneko
    • 学会等名
      第29回日本MRS年次大会
  • [学会発表] 生体分子誘導体とプラズマ活性ガス噴霧における初期植物応答に関する実験的研究2019

    • 著者名/発表者名
      K. Takashima , A. Shahir A. Nor , S. Sasaki , and T. Kaneko
    • 学会等名
      第29回日本MRS年次大会
    • 招待講演
  • [学会発表] Gas-Liquid Interfacial Plasmas Generating Short-Lived Reactive Species for Drug/Gene Transfer into Living Cells2019

    • 著者名/発表者名
      T. Kaneko , S. Sasaki , R. Honda , M. Kanzaki
    • 学会等名
      The 42nd PhotonIcs & Electromagnetics Research Symposium
    • 国際学会 / 招待講演
  • [備考] 東北大学大学院工学研究科 金子・加藤研究室

    • URL

      https://www.ecei.tohoku.ac.jp/plasma/

URL: 

公開日: 2021-01-27  

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