| 研究課題/領域番号 |
20H02654
|
|---|
| 研究機関 | 静岡大学 |
|---|
研究代表者 |
川田 善正 静岡大学, その他部局等, 理事 (70221900)
|
|---|
| 研究分担者 |
石飛 秀和 大阪大学, 大学院生命機能研究科, 准教授 (20372633)
居波 渉 静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (30542815)
井上 康志 大阪大学, 大学院生命機能研究科, 教授 (60294047)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
|
| キーワード | 細胞刺激 / 電子線照射 / 光学顕微鏡 / 電子顕微鏡 / ナノバイオテクノロジー |
|---|
| 研究実績の概要 |
本研究では、生きた生物細胞に電子線を直接照射し、ナノメートルスケールの局所領域に電気的刺激を与え細胞反応の活性化制御および細胞に電子を直接供給し還元反応を人為的に誘発し細胞機能を制御する全く新しい細胞の刺激・制御法を開発することを目的とした。細胞は外部からのさまざまな刺激に応答し機能を発現・制御しているため、ナノスケールの局所的な刺激を与えることができれば、細胞の発生、代謝、信号伝達などの生命現象をイオンチャンネルレベルで解析することが可能となる。本研究では、薄膜で真空と大気圧を分離することにより、薄膜を通して集束電子線を生きた生物試料に直接照射する。集束電子線を用いているため、照射領域を生物試料上の数 nmから数10 nmに制限することができ、直接電気的な刺激を非接触で与えることが可能となると期待できる。今年度は、電子線照射のための基礎システムを構築した。コンパクトな電子顕微鏡と光学顕微鏡を組み合わせることにより、電子線の照射位置、照射による細胞機能の変化を可視化可能なシステムとした。また、電子線の照射位置をナノメートルの分解能で制御するために、試料の移動にピエゾステージを組み込むための課題、基礎設計を行った。ピエゾステージの駆動により、電子顕微鏡部分の真空度が低下することないように、蛇腹機構とOリングを有するシステムを設計し、ステージに組み込むことを検討した。強度計算を実施し、蛇腹機構に用いる材料および構造の最適化、駆動可能範囲などについて評価した。設計した蛇腹機構を実際に作製し、加工精度、表面形状、真空の漏れなどについて評価検討した。その結果、テフロン材料を用いることにより、十分な精度で製作できることを確認した。また、散乱電子による画像の劣化を低減するために、伝導性のある材料についても検討し、その有効性を検証した。
|
| 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
今年度は、電子線照射のための基礎システムを構築した。コンパクトな電子顕微鏡と光学顕微鏡を組み合わせることにより、電子線の照射位置、照射による細胞機能の変化を可視化可能なシステムとした。また、電子線の照射位置をナノメートルの分解能で制御するために、試料の移動にピエゾステージを組み込むための課題、基礎設計を行った。基礎システムの設計が完了するとともに、必要な顕微鏡システムの構成、部材の検討、数値シミュレーションによる評価などを実施し、その有効性を検証した。システムを評価するために、液中に存在する直径 500 nm 以下の微小構造に対する電子線の選択的な照射を実証し、可視光の回折限界 (200 nm) を下回る大きさの構造を選択的に操作できる可能性を示した。具体的には、 2 つの電子線の位置決め手法を提案し、実装・評価した。1 つ目の方法は、電界式偏向器を用いて電子線を標的する座標へと偏向する手法とした。この方法では、標 的とする細胞試料の位置は動かさずに、電子線を標的する座標へと偏向することによって、標的に対する電子線照射を実現可能となる。2 つ目の方法は、ピエゾステージを用いた試料位置変位による方法である。 この方法では、電子線は定点照射される状態を維持する。標的する細胞試料の座標が電子線の照射座標に重なるよ うにピエゾステージを変位することによって、標的座標に対する電子線の照射を実現する。また、電子線照射するための細胞試料の培養についても検討し、基板として使用するSiN上で細胞を良好に培養するための条件を明らかにした。これらの成果により、実際に細胞に電子線を照射するための基礎技術が整備できた。これらの結果から、現在までの進捗状況は、「おおむね順調に進展している」ものと考える。
|
| 今後の研究の推進方策 |
本研究では、生きた生物細胞に電子線を直接照射し、ナノメートルスケールの局所領域に電気的刺激を与え細胞反応の活性化制御および細胞に電子を直接供給し還元反応を人為的に誘発し細胞機能を制御する全く新しい細胞の刺激・制御法を開発することを目的として進めている。細胞は外部からのさまざまな刺激に応答し機能を発現・制御しているため、ナノスケールの局所的な刺激を与えることができれば、細胞の発生、代謝、信号伝達などの生命現象をイオンチャンネルレベルで解析することが可能となる。今後は、薄膜で真空と大気圧を分離することにより、薄膜を通して集束電子線を生きた生物試料に直接照射可能な基礎システムを試作する。集束電子線を用いて照射領域を生物試料上の数 nmから数10 nmに制限して照射するとともに、直接電気的な刺激を非接触で与えることが可能なシステムを開発する。電子線の電流量、加速電圧、集束スポットの大きさなどに対する基礎特性を体系化し、生細胞の機能解明に資する全く新しい細胞刺激・制御法を確立することを検討する。昨年度までに設計検討した電子線照射のための基礎システムを試作し、実際に大腸菌、HeLa細胞などに電子線を照射し、その特性を評価する。細胞への電子線を照射によって、細胞機能の変化を評価するとともに、そのメカニズムを明らかにする。これは電子線の照射量による変化を明らかにし、照射量による細胞機能制御の可能性について検討する。また、HeLa細胞において電子線照射により、細胞内カルシウムイオン濃度の変化を観察し、カルシウムイオン濃度変化のメカニズムについて検討する。さらに、より高精度に電子線の照射位置を制御するため、ピエゾ装置をシステムに導入することに検討し、5nm以下の分解能で位置制御可能であることを示す。
|
