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2012 年度 実施状況報告書

核酸アプタマーを用いた超高感度電位計測バイオセンサーによる腫瘍マーカー検出

研究課題

研究課題/領域番号 23750079
研究機関東京医科歯科大学

研究代表者

合田 達郎  東京医科歯科大学, 生体材料工学研究所, 助教 (20588347)

キーワードアプタマー / 腫瘍マーカー / タンパク質 / ラベルフリー検出 / バイオセンサー / 電位計測 / 自己組織化単分子膜
研究概要

電界効果トランジスタ(FET: Field Effect Transistor)の原理によるラベルフリーで高感度な電気計測技術を応用して、核酸アプタマーを用いた高感度電位計測バイオセンサーによる腫瘍マーカー検出に関する研究をおこなった。これは癌にまつわる腫瘍マーカータンパク質(VEGF)の検出を簡易・迅速かつ低コストに達成する基盤技術を提供することで、従来のイムノアッセイに代わる超高感度タンパク質センシング、プロテオミックス解析、翻訳後修飾解析のための新たなプラットフォームを提示する事を目的としている。
実施計画に基づき、昨年度は、核酸アプタマーの分子設計および電極表面への核酸アプタマープローブの固定化方法・固定化密度を検討した。また、材料表面への非特異的吸着に起因するノイズ信号を低減するための電極表面の改質を行い、高感度な検出を実現する条件を見出した。
そこで、本年度は、マイクロアレイ電極に固定化した核酸アプタマーによるタンパク質の高感度電位計測バイオセンシングに取り組み、トロンビン、リゾチーム、CRPの、三種類のモデルタンパク質の検出に成功した。これは、抗体に比べてサイズの小さい核酸アプタマーを分子リガンドとして用いて、電極近傍に形成されるデバイ長の範囲内でタンパク質を選択的に捉えることにより、タンパク質の電荷を直接検出するという概念を実現した最初の例である。また、これらのタンパク質は、10%の血清存在下という、夾雑物が混入している条件でも特異的なシグナルを得ることが出来た。そこで、次に、リアルサンプルとしてヒト血清から抽出したVEGFの定量測定をおこない、センシングの感度・特異性を検討した。電位計測によるVEGFのラベルフリー検出には成功したものの、検出限界は数nMと、患者の血液検体を用いるにあたっては感度がやや不十分であり、検出限界をあと1~2桁高める必要がある。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

本年度の目標として、リアルサンプルでのVEGF定量測定を掲げ、健全なドナーのヒト、または哺乳動物種全血から血清を分離したサンプルを使用する予定であった。そこで、実サンプルを用いて定量測定をおこない、センシングの感度・特異性を検討することはひとまず達成した。感度が不十分な場合は、前処理としてサンプル精製および濃縮を検討する予定であったが、時間の関係でこれらの評価は行うことが出来なかった。良好な結果が得られた場合は、申請者の所属する大学の医学部研究者との連携をとり、前臨床データの収集に向けた取り組みを開始する予定であったが、これらの検討は次年度以降に持ち越しとなった。
また、集積化デバイスの作製と機能評価を開始することになっていたが、これらは達成した。アレイ化金電極は、スクリーンプリント技術や金スパッタによる薄膜形成とフォトリソグラフィ法によるパターニングによって作製した。多チャンネル同時測定による精度・再現性の向上を実現した。

今後の研究の推進方策

検出システムの高感度化に取り組む。実際の応用を考慮した場合、サンプルの前処理がない方が好ましい。したがって、センサー自体の高感度化を目指すのが妥当である。そこで、生体分子と電極表面との親和性を高めるために、両者の間で多価の結合が形成されるような界面の創製を試みる。これまでにVEGFの異なる部位(エピトープ)に結合する核酸アプタマーが報告されている。これらのアプタマーを直列あるいは並列に配列した分子リガンドを有する電極表面を作成し、標的のVEGFを二点以上で補足することにより、センサーの高感度化を目指す。これらの方法は、既存のアプタマー配列を再活用する試みとも言え、新たなアプタマー配列を探索するよりも簡便・迅速・低コストな解決法であると言える。高感度化が実現すれば、次に、患者の検体を用いた評価を行い、腫瘍マーカーのラベルフリー電位計測技術の有効性の有無を確認する。
また、学理として興味深い、核酸プローブの高機能化も検討する。前述した異なるアプタマー配列をつなげたシリアル解析や、ヘアピンアプタマーによるリガンド分子に対する刺激応答性の付与、標的分子検出に伴うロジックゲート信号生成についても検討する。異なるアプタマー配列をつなげたプローブの合成に関しては、anti-VEGFアプタマーと例えば、VEGFが腫瘍マーカーとして有効とされている肺がんや卵巣がんにおける腫瘍マーカーに対するアプタマー配列と組み合わせることで、がん判定、予後診断の精度向上に役立つと考えられる。また、異なるアプタマー配列を直列につなげると、原理的には2段階の信号が得られることから、いわゆるロジックゲートのような機能を創出できるか否かも、学術テーマとして取り組んでみる。

次年度の研究費の使用計画

高感度電位計測をはじめとした一連の電気化学測定装置、蛍光顕微鏡、分析装置、生体サンプル使用設備はすべて所属研究所に現有である。つまり、研究の遂行にあたり必要とされる半導体パラメータアナライザ、ポテンショスタット、インピーダンスアナライザ、
周波数特性測定装置、リアルタイム電位測定装置、リアルタイム多チャンネル電位測定装置、および、表面構築に必要なプラズマワッシャー、スパッタ、構築した表面の評価に用いる分光エリプソメーター、ラフネス解析装置はすでに整備されている。
したがって、研究費の用途としては、試薬・ガラス器具類・装置消耗品など必要不可欠な経費に充当する。また、全血などのリアルサンプルを購入・取得する費用に使用する。
また、関連する学会に参加して研究成果を発表するための旅費や、論文作成・投稿費用、成果発信のための費用等に用いる予定である。

  • 研究成果

    (20件)

すべて 2013 2012 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (11件) (うち招待講演 7件) 図書 (2件) 備考 (2件) 産業財産権 (2件) (うち外国 1件)

  • [雑誌論文] Label-free and Reagent-less Protein Biosensing using Aptamer-modified Extended-gate Field-effect Transistors2013

    • 著者名/発表者名
      Tatsuro Goda, Yuji Miyahara
    • 雑誌名

      Biosensors and Bioelectronics

      巻: 45 ページ: 89-94

    • DOI

      10.1016/j.bios.2013.01.053

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Simultaneous Monitoring of Protein Adsorption Kinetics using a Quartz Crystal Microbalance and Field-Effect Transistor Integrated Device2012

    • 著者名/発表者名
      Tatsuro Goda, Yasuhiro Maeda, Yuji Miyahara
    • 雑誌名

      Analytical Chemistry

      巻: 84 ページ: 7308-7314

    • DOI

      10.1021/ac3015092

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Interpretation of Protein Adsorption through its Intrinsic Electric Charges: A Comparative Study using a Field-effect Transistor, Surface Plasmon Resonance, and Quartz Crystal Microbalance2012

    • 著者名/発表者名
      Tatsuro Goda, Yuji Miyahara
    • 雑誌名

      Langmuir

      巻: 28 ページ: 14730-14738

    • DOI

      10.1021/la302977s

    • 査読あり
  • [学会発表] がんマーカーを検出する簡易デバイスの創製2012

    • 著者名/発表者名
      田畑美幸, 増野こずえ, 合田達郎, 松元亮, 前田康弘, 片岡知歩, 井上裕美, 岩井秀夫, 宮原裕二
    • 学会等名
      日本バイオマテリアル学会シンポジウム
    • 発表場所
      仙台
    • 年月日
      20121126-20121127
  • [学会発表] Electrical Detection of Biomolecular Recognition based on micro-electrode array2012

    • 著者名/発表者名
      Miyahara Y, Matsumoto A, Goda T, Maeda Y
    • 学会等名
      The 7th Sweden – Japan BioNano Workshop
    • 発表場所
      Sweden
    • 年月日
      20121015-20121018
    • 招待講演
  • [学会発表] Exploring protein adsorption based on its innate charges2012

    • 著者名/発表者名
      Goda T, Matsumoto A, Miyahara
    • 学会等名
      The 7th Sweden – Japan BioNano Workshop
    • 発表場所
      Sweden
    • 年月日
      20121015-20121018
    • 招待講演
  • [学会発表] バイオトランジスタによる生体分子認識の検出2012

    • 著者名/発表者名
      松元 亮,合田達郎,三條 舞,宮原裕二
    • 学会等名
      CREST・さきがけ「プロセスインテグレーションによる次世代ナノシステムの創製」3領域合同会議
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      20121005-20121005
    • 招待講演
  • [学会発表] Detection of Biomolecular Recognition Using Biotransistors2012

    • 著者名/発表者名
      Miyahara Y, Matsumoto A, Goda T, Maeda Y, Tabata M, Sanjoh M
    • 学会等名
      CBC Seminar at Nanyang Technological University
    • 発表場所
      Singapore
    • 年月日
      20120925-20120925
    • 招待講演
  • [学会発表] 「バイオトランジスタ」のための界面設計戦略2012

    • 著者名/発表者名
      松元 亮,合田達郎,前田康弘,宮原裕二
    • 学会等名
      ソフトインターフェースの分子科学 ワークショップ「ソフト界面と計測・センシング」
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      20120712-20120712
    • 招待講演
  • [学会発表] 高感度イオンセンサーによるナノ細胞毒性とナノメディシンの評価2012

    • 著者名/発表者名
      合田達郎
    • 学会等名
      ナノメディシン分子科学 第3回全体会議/公開シンポジウム
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      20120709-20120710
    • 招待講演
  • [学会発表] Detection of Biomolecular Recognition Using Bio-Transistors2012

    • 著者名/発表者名
      Miyahara Y, Matsumoto A, Goda T, Maeda Y
    • 学会等名
      International Joint Symposium between TMDU IBB and KNU IBRD
    • 発表場所
      Korea
    • 年月日
      20120629-20120629
    • 招待講演
  • [学会発表] Interpretation of Protein Adsorption through its Intrinsic Electric Charges using FET and QCM Biosensors2012

    • 著者名/発表者名
      Goda T, Miyahara Y
    • 学会等名
      9th World Biomaterials Congress
    • 発表場所
      China
    • 年月日
      20120601-20120605
  • [学会発表] A Hairpin Aptamer Coupled with Groove Binders as a Smart Switch for FET Biosensing2012

    • 著者名/発表者名
      Goda T, Miyahara Y.
    • 学会等名
      Biosensors 2012
    • 発表場所
      Mexico
    • 年月日
      20120515-20120518
  • [学会発表] 機能性材料・界面を利用したナノバイオ技術の創製2012

    • 著者名/発表者名
      宮原裕二, 松元 亮, 合田達郎, 前田康弘
    • 学会等名
      Biotech 2012 アカデミックフォーラム
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      20120425-20120427
  • [図書] 先端バイオマテリアルハンドブック 第4章7節「バイオFETセンサ」2012

    • 著者名/発表者名
      合田達郎, 宮原裕二
    • 総ページ数
      5
    • 出版者
      エヌ・ティー・エス
  • [図書] Chapter 12 Sensing of Biomolecular Charges at Designer Nanointerfaces" In: Manipulation of Nanoscale Materials: An Introduction to Nanoarchitectonics2012

    • 著者名/発表者名
      Goda T, Miyahara Y.
    • 総ページ数
      16
    • 出版者
      The Royal Society of Chemistry
  • [備考] 宮原裕二研究室 東京医科歯科大学

    • URL

      http://www.tmd.ac.jp/bsr/index.html

  • [備考] 東京医科歯科大学 研究情報データベース

    • URL

      http://aqua.tmd.ac.jp/ResDB/DispRsch/dsp_resdata.php?id=1629&la=ja

  • [産業財産権] 生体分子検出用電極チップ、及び、生体分子検出方法2012

    • 発明者名
      宮原裕二、松元亮、合田達郎、前田康弘、片岡知歩
    • 権利者名
      宮原裕二、松元亮、合田達郎、前田康弘、片岡知歩
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      WO2012144631
    • 出願年月日
      2012-04-20
    • 外国
  • [産業財産権] 生体分子検出装置、及び、生体分子検出方法2012

    • 発明者名
      宮原裕二、合田達郎、前田康弘
    • 権利者名
      宮原裕二、合田達郎、前田康弘
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2012-120286
    • 出願年月日
      2012-05-25

URL: 

公開日: 2014-07-24  

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