ナノダイヤモンドセンサーによる単一細胞内物理・化学パラメータの時空間マッピング

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H02587
• 研究機関: 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構
• 研究代表者: 五十嵐 龍治 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子生命科学領域, グループリーダー(定常) (90649047)
• 研究分担者: 鈴木 芳代 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 放射線生物応用研究部, 主幹研究員(定常) (10507437) ; 加田 渉 群馬大学, 大学院理工学府, 准教授 (60589117) ; 神長 輝一 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子生命科学領域, 博士研究員(任常) (90825176)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 量子センサー / NVセンター / ナノバイオテクノロジー / 磁気共鳴 / 生物物理化学 / 量子生命科学

研究実績の概要

本研究では、ナノダイヤモンドで「単一細胞内の物理・化学パラメータの時空間定量マッピング」を実現するために、(1)「ナノダイヤモンドの効率的な細胞導入、分子標的および細胞小器官特異的なデリバリー」、(2)「ナノダイヤモンド中のNVセンターに対する高速・高精度なスピン量子計測」、(3)「細胞生物学的な実験結果と計測結果とを突合するための相関解析」の３つの課題に取り組む計画である。令和２年度は、(1)「ナノダイヤモンドの効率的な細胞導入、分子標的および細胞小器官特異的なデリバリー」については、表面親水化ナノダイヤモンドを大量調製するための条件検討を実施した。これにより、従来の10倍程度の表面親水化ナノダイヤモンドの調製に目処が立ち、細胞内でのデリバリー技術を開発する準備が整った。また(2)「ナノダイヤモンド中のNVセンターに対する高速・高精度なスピン量子計測」については、細胞内温度計測を行う上での光検出磁気共鳴スペクトルの取得法の最適化を行った。これにより、温度計測の計測時間が従来法の半分以下に短縮された(Yanagi et al., 2020)。また、pH計測についても、ナノダイヤモンドを用いたT1強調イメージング技術を開発し、pH計測に必要な時間を従来の半分以下に短縮した(Fujisaku et al., 2020)。(3)「細胞生物学的な実験結果と計測結果とを突合するための相関解析」については、ナノダイヤモンドを用いたナノ動態の３次元トラッキングを行い、培養細胞系における薬剤刺激と、その細胞膜動態への影響について相関解析を実施した(Igarashi et al., 2020)。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

研究実績の概要に示した通り、当初計画については順調に進展した。これに加えて、当初計画では想定していなかった新たな高感度計測プロトコルの開発、小動物中での計測・解析への着手、ナノ動態の３次元トラッキング技術の論文化など多くの進展があったため。

今後の研究の推進方策

令和３年度は、(1)「ナノダイヤモンドの効率的な細胞導入、分子標的および細胞小器官特異的なデリバリー」については、令和２年度に条件検討したプロトコルに基づき、ナノダイヤモンドを用いた分子標的技術の開発を行う。(2)「ナノダイヤモンド中のNVセンターに対する高速・高精度なスピン量子計測」については、機械学習を用いた新たな最適化手法の開発などを進める。(3)「細胞生物学的な実験結果と計測結果とを突合するための相関解析」については、令和２年度に開発した当初計画にはない高感度計測プロトコルを活用し、培養細胞および生物個体への適用を進める。

研究成果

• [国際共同研究] ETH Zurich(スイス)
  • 国名: スイス
  • 外国機関名: ETH Zurich
• [国際共同研究] Ben-Gurion University of the Negev(イスラエル)
  • 国名: イスラエル
  • 外国機関名: Ben-Gurion University of the Negev
• [国際共同研究] RMIT(オーストラリア)
  • 国名: オーストラリア
  • 外国機関名: RMIT
• [雑誌論文] Magnetic Field Generation System of the Magnetic Probe With Diamond Quantum Sensor and Ferromagnetic Materials for the Detection of Sentinel Lymph Nodes With Magnetic Nanoparticles (2021)
  • 著者名/発表者名: Kitaizumi Takahiro、Kuwahata Akihiro、Saichi Kota、Sato Takumi、Igarashi Ryuji、Ohshima Takeshi、Masuyama Yuta、Iwasaki Takayuki、Hatano Mutsuko、Jelezko Fedor、Kusakabe Moriaki、Yatsui Takashi、Sekino Masaki
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Magnetics 巻: 57 ページ: 1～5
  • DOI: 10.1109/tmag.2020.3009334
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Magnetometer with nitrogen-vacancy center in a bulk diamond for detecting magnetic nanoparticles in biomedical applications (2020)
  • 著者名/発表者名: Kuwahata Akihiro、Kitaizumi Takahiro、Saichi Kota、Sato Takumi、Igarashi Ryuji、Ohshima Takeshi、Masuyama Yuta、Iwasaki Takayuki、Hatano Mutsuko、Jelezko Fedor、Kusakabe Moriaki、Yatsui Takashi、Sekino Masaki
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 ページ: 1
  • DOI: 10.1038/s41598-020-59064-6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Optimization of Wide-Field ODMR Measurements Using Fluorescent Nanodiamonds to Improve Temperature Determination Accuracy (2020)
  • 著者名/発表者名: Yanagi Tamami、Kaminaga Kiichi、Kada Wataru、Hanaizumi Osamu、Igarashi Ryuji
  • 雑誌名: Nanomaterials 巻: 10 ページ: 2282～2282
  • DOI: 10.3390/nano10112282
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Nanometre-Scale Visualization of Chemical Parameter Changes by T1-Weighted ODMR Imaging Using a Fluorescent Nanodiamond (2020)
  • 著者名/発表者名: Fujisaku Takahiro、Igarashi Ryuji、Shirakawa Masahiro
  • 雑誌名: Chemosensors 巻: 8 ページ: 68～68
  • DOI: 10.3390/chemosensors8030068
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Nanodiamond mediated interfacial polymerization for high performance nanofiltration membrane (2020)
  • 著者名/発表者名: Qin Detao、Huang Guoji、Terada Daiki、Jiang Handong、Ito Masateru M.、H. Gibbons Andrew、Igarashi Ryuji、Yamaguchi Daisuke、Shirakawa Masahiro、Sivaniah Easan、Ghalei Behnam
  • 雑誌名: Journal of Membrane Science 巻: 603 ページ: 118003～118003
  • DOI: 10.1016/j.memsci.2020.118003
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Tracking the 3D Rotational Dynamics in Nanoscopic Biological Systems (2020)
  • 著者名/発表者名: Igarashi Ryuji、Sugi Takuma、Sotoma Shingo、Genjo Takuya、Kumiya Yuta、Walinda Erik、Ueno Hiroshi、Ikeda Kazuhiro、Sumiya Hitoshi、Tochio Hidehito、Yoshinari Yohsuke、Harada Yoshie、Shirakawa Masahiro
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 142 ページ: 7542～7554
  • DOI: 10.1021/jacs.0c01191
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Formation of Nitrogen-Vacancy centers in nanodiamonds: Size and type dependence (2021)
  • 著者名/発表者名: TzeKit Frderick So , Alexander I. Shames , Daiki Terada , Takuya Genjo , Hiroki Morishita , Izuru Ohki , 大島 武 , 小野田 忍 , Hideaki Takashima , Shigeki Takeuchi , Eiji Osawa , Norikazu Mizuochi , 五十嵐 龍治 , 白川 昌宏
  • 学会等名: 第68回 応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 生体ナノ量子センサーによる微小環境計測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 五十嵐龍治
  • 学会等名: 量子生命科学会 第2回大会
• [学会発表] 温度と磁場を分離計測可能であるので車載電池応用や生体計測応用に有効である (2020)
  • 著者名/発表者名: Frederick Tze Kit So , Alexander I. Shames , Daiki Terada , Takuya Genjo , Hiroki Morishita , Izuru Ohki , 大島 武 , 小野田 忍 , Hideaki Takashima , Shigeki Takeuchi , Eiji Osawa , Norikazu Mizuochi , 五十嵐 龍治 , 白川 昌宏
  • 学会等名: 量子生命科学会第2回大会
• [学会発表] 13C pulsed dynamic nuclear polarization using pentacene or NV- centers in diamond at room temperature (2020)
  • 著者名/発表者名: Koichiro Miyanishi , Takuya F. Segawa , Izuru Ohki , Onoda Shinobu , Ohshima Takeshi , Abe Hiroshi , Hideaki Takashima , Shigeki Takeuchi , Yu Wang , Kazuyuki Takeda , Frederick T. -K. So , Daiki Terada , Igarashi Ryuji , Akinori Kagawa , Masahiro Kitagawa , Norikazu Mizuochi , Shirakawa Masahiro , Makoto Negoro
  • 学会等名: 3rd IFQMS
  • 国際学会
• [図書] 実験医学2020年11月号 (2020)
  • 著者名/発表者名: 福田真嗣他
  • 総ページ数: 139
  • 出版者: 羊土社
  • ISBN: 978-4-7581-2537-6
• [図書] 量子センシングハンドブック ～量子科学が切り拓く新たな領域～ (2020)
  • 著者名/発表者名: 根来誠他
  • 総ページ数: 364
  • 出版者: (株)エヌ・ティー・エス
  • ISBN: 978-4860436612
• [備考] 細胞における分子1個の回転運動を３次元で検出するナノ量子センサーを実現
  • URL: https://www.qst.go.jp/site/press/40761.html