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2014 年度 実績報告書

機能性粒子によるシグナル増幅法を採用した超高感度バイオマーカーの免疫アッセイ

研究課題

研究課題/領域番号 26288071
研究機関兵庫県立大学

研究代表者

水谷 文雄  兵庫県立大学, 物質理学研究科, 教授 (80118603)

研究分担者 安川 智之  兵庫県立大学, 物質理学研究科, 准教授 (40361167)
研究期間 (年度) 2014-04-01 – 2017-03-31
キーワードゲル粒子 / 高感度免疫アッセイ / 酵素 / 電解酸化 / 誘電泳動 / 化学増幅
研究実績の概要

初年度は,迅速,簡便および検出感度の向上をキーワードとした免疫測定デバイスの開発に必要な要素技術について基礎特性調査を行った.特に,「酵素内包アルギン酸ゲル粒子の開発」を重点的に進めた.
1)電気化学制御型の酵素内包アルギン酸ゲル粒子作製:25万個のマイクロホールを有する電極アレイを用い,酵素内包型アルギン酸ゲル粒子を作製した.銅電極基板上にマイクロホールアレイを作製し,定電流電解法を用いて金属銅を酸化し銅イオンを生成させた.溶液中のアルギン酸Naがマイクロホールから生成された2価カチオンである銅イオンの生成によりゲル化しゲル粒子を作製することができた.均一粒径のゲル粒子を迅速(数秒~数分)で大量一括に作製できた.生成されるゲル粒子の粒径は,電解時間および電解電流を制御することにより50-200ミクロン程度であった.さらに,溶液にグルコース酸化酵素(GOx)を添加しておくことにより,酵素を内包したゲル粒子の作製が可能であった.
2)サイクリング法と変換蓄積法による酵素反応生成物の高感度計測:電極にGOxを固定化しグルコースおよびメディエータ(4-アミノフェノール)存在下でアンペロメトリーを行い,酵素レドックスサイクリングによりシグナルを増幅させた.この際,対極で銅イオンの還元反応を進行させて金属銅を析出させ,ストリッピング法による電解酸化でシグナル増幅を行った.これにより,通常のアンペロメトリー法の1,000倍に相当するnMレベルの4-アミノフェノールの検出を可能にした.この手法を免疫測定法に応用し,pMレベルの測定対象物質を検出可能であることを示した.
3)誘電泳動による微粒子の免疫捕捉:誘電泳動を用いたマイクロウェルアレイ内への粒子の誘導と免疫反応による粒子の捕捉を行った.粒子は約10秒でウェル内へと誘導され,免疫反応により捕捉された粒子をウェル内にとどまらせることができた.

現在までの達成度 (区分)
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

初年度に予定していた研究実施項目をすべて遂行することができ,当初予定を上回る成果を得ることができたため,「当初の計画以上に進展している」と評価した.ゲル粒子の作製では,電気化学的に粒径の均一な粒子を数分と極めて迅速に大量一括作製できた.また,電解時間および電解電流の制御により作製される粒子の粒径をコントロールできた.また,グルコース酸化酵素をゲル粒子内に内包することも可能であった.また,高感度な酵素反応生成物の電気化学計測では,酵素レドックスサイクリングと金属銅への変換蓄積法を組み合わせ,通常のアンペロメトリーの1,000倍の感度に相当するnMレベルの酵素反応生成物を検出可能にした.また,交互くし型マイクロ電極アレイを用いた電気化学レドックスサイクリングによるシグナル増幅法についての検討も遂行できた.さらに,サイクリング法と変換蓄積法を組み合わせた増幅システムを免疫測定に適用し,pMオーダーのがんマーカー(CEA)を検出できることを示した.平成27年度に計画していた,正の誘電泳動による微粒子のマイクロウェルアレイ電極内への迅速な誘導,免疫反応による捕捉,負の誘電泳動による未反応粒子の除去についての検討を早期開始し,その可能性についてポジティブな結果を得ることができた.以上より,当初計画にある項目をすべて遂行し,予想を上回る成果を挙げられたことと,次年度以降に予定していた項目について研究を前倒しして開始し良好な結果が得られていることから,本研究は当初の計画以上に進展していると言える.

今後の研究の推進方策

平成27年は,初年度に得られた成果をブラッシュアップするとともに,項目3の誘電泳動を用いた迅速,簡便な免疫計測法の開発を行い,各項目の融合を積極的に推し進める.
ゲル粒子作製においては,初年度に作製したマイクロウェルアレイ電極を銅イオンの供給源として利用し,電解酸化溶出により銅イオンをウェルアレイ内に生成させてウェルアレイ内のアルギン酸Naをゲル化させる.電極サイズ,電解時間および電解電流に対する生成ゲル粒子形状を調査し,数ミクロンオーダーの粒子を大量一括に生成できる条件を確立する.グルコース酸化酵素または西洋わさびペルオキシダーゼを内包したゲル粒子を作製し,酵素内包量,活性および基質透過性の評価を行う.ゲル粒子からの酵素の脱離を抑制するために,酵素を結合させたポリリシン等のカチオン性高分子を混合してゲル粒子を作製する.高分子化と静電相互作用(リシンの-NH3+とアルギン酸Naの-COO-)によるポリイオンコンプレックス効果により,ゲルの硬化性の向上と酵素脱離の抑制を達成する.同様の手法でゲル粒子に抗体修飾を行う.
誘電泳動を用いて初年度に作製した酵素内包ゲル粒子を迅速(数秒)に抗体固定化領域に集積化し,抗原の存在下で迅速(1分)で免疫捕捉する技術を開発する.まず,印加する交流電圧の周波数および粒子懸濁液の導電率を制御し,粒子の誘電泳動挙動を詳細に調査する.次に,誘電泳動による酵素内包型ゲル粒子の免疫捕捉を行う.抗体修飾ゲル粒子を用いて抗体固定化孔への誘導と免疫捕捉を行う.十分な抗原の存在下,ゲル粒子を孔内に誘導して数分間その状態を保持して免疫捕捉する.その後,未反応の粒子を孔から排除する.混合する抗原濃度と捕捉率の関係を調査し,誘電泳動法の測定領域を把握する.

次年度使用額が生じた理由

備品として光学顕微鏡を購入したが、当初予定額と比較して安価に購入することができたため。当初予定以上のデバイスの小型化に成功し、使用する試薬量を低減できたため。

次年度使用額の使用計画

マイクロウェル内に生成した個々の粒子を高倍率観測するために、初年度に購入した顕微鏡用の高倍率対物レンズ(40倍)を購入する。

  • 研究成果

    (44件)

すべて 2015 2014 その他

すべて 雑誌論文 (7件) (うち査読あり 7件、 謝辞記載あり 3件) 学会発表 (33件) (うち招待講演 1件) 図書 (3件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] A DNA hybridization sensor based on catalytic response by platinum deposition2015

    • 著者名/発表者名
      Tomoyuki Yasukawa, Yuya Yamashita, Riku Moede, Daichi Nakayama, Seiichiro Iijima, Fumio Mizutani
    • 雑誌名

      Analyst

      巻: 140 ページ: 1014-1018

    • DOI

      10.1039/c4an01561d

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 電気化学検出法を組み込んだラテラルフロー型アッセイ法の開発2015

    • 著者名/発表者名
      安川智之,木葉祐也,水谷文雄
    • 雑誌名

      分析化学

      巻: 64 ページ: 99-104

    • DOI

      org/10.2116/bunsekikagaku.64.99

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Electrochemical Activity Imaging of Enzymes Immobilized on Substrates Based on a Bio-LSI System2014

    • 著者名/発表者名
      Toshiki Hokuto, Tomoyuki Yasukawa, Ryota Kunikata, Atsushi Suda, Kumi Y. Inoue, Tomokazu Matsue, Fumio Mizutani
    • 雑誌名

      Chem. Lett.

      巻: 43 ページ: 758-759

    • DOI

      10.1246/cl.140055

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Array of single-cell pairs on a microwell array based on positive dielectrophoresis2014

    • 著者名/発表者名
      Yuki Yoshimura, Chiaki Fujii, Masahiro Tomita, Fumio Mizutani, Tomoyuki Yasukawa
    • 雑誌名

      Chem. Lett.

      巻: 43 ページ: 980-981

    • DOI

      10.1246/cl.140195

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Rapid Formation of Cell-Particle Complexes via Dielectrophoretic Manipulation for the Detection of Surface Antigens2014

    • 著者名/発表者名
      Takuma Horii, Masashi Yamamoto, Tomoyuki Yasukawa, Fumio Mizutani
    • 雑誌名

      Biosens. Bioelectron.

      巻: 61 ページ: 215-221

    • DOI

      org/10.1016/j.bios.2014.05.019

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Cell Pairing Using Microwell Array Electrodes Based on Dielectrophoresis2014

    • 著者名/発表者名
      Yuki Yoshimura, Masahiro Tomita, Fumio Mizutani, Tomoyuki Yasukawa
    • 雑誌名

      Anal. Chem.

      巻: 86 ページ: 6818-6822

    • DOI

      org/10.1021/ac5015996

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] 誘電泳動を利用した表面抗原の迅速検出技術2014

    • 著者名/発表者名
      安川智之,水谷文雄
    • 雑誌名

      Electrochemistry

      巻: 82 ページ: 993-999

    • DOI

      org/10.5796/electrochemistry.82.993

    • 査読あり
  • [学会発表] 高感度,迅速,簡便な免疫測定法の開発 -バイオセンサの利用拡大を目指して-2015

    • 著者名/発表者名
      水谷文雄
    • 学会等名
      電気化学会第82回大会
    • 発表場所
      横浜国立大学(神奈川県横浜市)
    • 年月日
      2015-03-15 – 2015-03-17
    • 招待講演
  • [学会発表] 電気化学イムノクロマトグラフィーによるアルブミンとクレアチニンの検出2015

    • 著者名/発表者名
      安川智之
    • 学会等名
      電気化学会第82回大会
    • 発表場所
      横浜国立大学(神奈川県横浜市)
    • 年月日
      2015-03-15 – 2015-03-17
  • [学会発表] 電気化学顕微鏡を用いた拍動するC2C12筋管細胞の酸素消費量測定2015

    • 著者名/発表者名
      居垣雄貴
    • 学会等名
      電気化学会第82回大会
    • 発表場所
      横浜国立大学(神奈川県横浜市)
    • 年月日
      2015-03-15 – 2015-03-17
  • [学会発表] ニードル型マイクロ電極をプローブとした誘電泳動による粒子配列2015

    • 著者名/発表者名
      安川智之
    • 学会等名
      表面技術協会 第131回講演大会
    • 発表場所
      関東学院大学 横浜・金沢八景キャンパス(神奈川県横浜市)
    • 年月日
      2015-03-04 – 2015-03-06
  • [学会発表] 誘電泳動を利用した超高速細胞ペアリング2015

    • 著者名/発表者名
      安川智之
    • 学会等名
      日本機械学会 第27回バイオエンジニアリング講演会 バイオMEMSとバイオテクノロジー
    • 発表場所
      朱鷺メッセ新潟コンベンションセンター(新潟県新潟市)
    • 年月日
      2015-01-10 – 2015-01-10
  • [学会発表] 誘電泳動を利用した異種細胞のマイクロウェルへの捕捉と迅速なペア形成2014

    • 著者名/発表者名
      吉村友希
    • 学会等名
      Cat-on-Cat シンポジューム2014「水素エネルギー社会に向けての触媒科学と技術」
    • 発表場所
      兵庫県立大学(兵庫県姫路市)
    • 年月日
      2014-12-13 – 2014-12-13
  • [学会発表] 免疫反応結合力計測のためのウェルアレイ内への細胞の捕捉と除去2014

    • 著者名/発表者名
      川島綾香
    • 学会等名
      Cat-on-Cat シンポジューム2014「水素エネルギー社会に向けての触媒科学と技術」
    • 発表場所
      兵庫県立大学(兵庫県姫路市)
    • 年月日
      2014-12-13 – 2014-12-13
  • [学会発表] Vertical pairing of different types of cells in microwells by positive dielectrophoresis2014

    • 著者名/発表者名
      T. Yasukawa
    • 学会等名
      24th MRS-J
    • 発表場所
      横浜情報文化センター(神奈川県横浜市)
    • 年月日
      2014-12-12 – 2014-12-12
  • [学会発表] クーロメトリーによるゼブラフィッシュの呼吸活性の測定2014

    • 著者名/発表者名
      水谷文雄
    • 学会等名
      第60回ポーラログラフィーおよび電気分析化学討論会
    • 発表場所
      京都工芸繊維大学(京都府京都市)
    • 年月日
      2014-11-15 – 2014-11-16
  • [学会発表] ヒドロゲナーゼの性質の電気化学的解析と修飾用電極の探索2014

    • 著者名/発表者名
      窪田慎太郎
    • 学会等名
      第60回ポーラログラフィーおよび電気分析化学討論会
    • 発表場所
      京都工芸繊維大学(京都府京都市)
    • 年月日
      2014-11-15 – 2014-11-16
  • [学会発表] Cell pairing on a microwell array electrode by positive dielectrophoresis2014

    • 著者名/発表者名
      Tomoyuki Yasukawa
    • 学会等名
      25th 2014 International Symposium, on Micro-NanoMechatronics and Human Science
    • 発表場所
      名古屋大学(愛知県名古屋市)
    • 年月日
      2014-11-11 – 2014-11-11
  • [学会発表] Rapid Formation of Single-Cell Pairs on a Microwell Array with Dielectrophoresis2014

    • 著者名/発表者名
      Tomoyuki Yasukawa
    • 学会等名
      The 18th Internatinal Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and life Science
    • 発表場所
      サンアントニオ(アメリカ合衆国)
    • 年月日
      2014-10-28 – 2014-10-28
  • [学会発表] 誘電泳動による均一な細胞凝集体の作製2014

    • 著者名/発表者名
      守島 麻
    • 学会等名
      化学とマイクロ・ナノシステム学会第30回研究会
    • 発表場所
      北海道大学(北海道札幌市)
    • 年月日
      2014-10-02 – 2014-10-03
  • [学会発表] マイクロ電極をプローブとした走査型誘電泳動による多孔質膜への自由度の高い粒子パターンの作製2014

    • 著者名/発表者名
      後藤卓真
    • 学会等名
      化学とマイクロ・ナノシステム学会第30回研究会
    • 発表場所
      北海道大学(北海道札幌市)
    • 年月日
      2014-10-02 – 2014-10-03
  • [学会発表] バイオLSIによるマイクロ流路の格子点に形成された免疫複合体の一括同時計測2014

    • 著者名/発表者名
      北東俊輝
    • 学会等名
      2014年電気化学秋季大会
    • 発表場所
      北海道大学(北海道札幌市)
    • 年月日
      2014-09-27 – 2014-09-27
  • [学会発表] ミエローマ細胞捕捉マイクロウェルへのB細胞の誘導とペア形成2014

    • 著者名/発表者名
      吉村友希
    • 学会等名
      2014年電気化学秋季大会
    • 発表場所
      北海道大学(北海道札幌市)
    • 年月日
      2014-09-27 – 2014-09-27
  • [学会発表] 電極表面への白金析出に伴う プロトン触媒還元能の獲得とバイオセンシングへの応用2014

    • 著者名/発表者名
      安川智之
    • 学会等名
      表面技術協会 第130回講演大会
    • 発表場所
      京都大学(京都府京都市)
    • 年月日
      2014-09-23 – 2014-09-23
  • [学会発表] 誘電泳動による細胞ペアリングと高効率な電気パルス融合2014

    • 著者名/発表者名
      安川智之
    • 学会等名
      分析化学会 第63年会 バイオ分析
    • 発表場所
      広島大学(広島県東広島市)
    • 年月日
      2014-09-17 – 2014-09-17
  • [学会発表] 誘電泳動フェノタイピングによる分化の評価2014

    • 著者名/発表者名
      水口悠暉
    • 学会等名
      第8 回バイオ関連化学
    • 発表場所
      岡山大学(岡山県岡山市)
    • 年月日
      2014-09-11 – 2014-09-11
  • [学会発表] Quantitative immunochromatography by detection redox species flowing in a membrane2014

    • 著者名/発表者名
      Tomoyuki Yasukawa
    • 学会等名
      65th Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry
    • 発表場所
      ローザンヌ(スイス)
    • 年月日
      2014-09-01 – 2014-09-05
  • [学会発表] Rapid fabrication of pairs of different types of cells on a microwell array based on dielectrophoresis2014

    • 著者名/発表者名
      Yuki Yoshimura
    • 学会等名
      65th Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry
    • 発表場所
      ローザンヌ(スイス)
    • 年月日
      2014-09-01 – 2014-09-05
  • [学会発表] マイクロ電極をプローブとした走査型誘電泳動によるアルミナ膜へのフレキシビリティーの高い粒子パターンの作製2014

    • 著者名/発表者名
      後藤卓真
    • 学会等名
      日本分析化学会近畿支部 ぶんせき秘帖 巻の八
    • 発表場所
      神戸セミナーハウス(兵庫県神戸市)
    • 年月日
      2014-08-09 – 2014-08-09
  • [学会発表] ウェルアレイ電極を用いた誘電泳動による細胞捕捉と回収 ~生体認識反応の結合力解析を目指して~2014

    • 著者名/発表者名
      川島綾香
    • 学会等名
      日本分析化学会近畿支部 ぶんせき秘帖 巻の八
    • 発表場所
      神戸セミナーハウス(兵庫県神戸市)
    • 年月日
      2014-08-09 – 2014-08-09
  • [学会発表] アレイ化筋管細胞の拍動と電気化学的呼吸量測定2014

    • 著者名/発表者名
      居垣雄貴
    • 学会等名
      日本分析化学会近畿支部 ぶんせき秘帖 巻の八
    • 発表場所
      神戸セミナーハウス(兵庫県神戸市)
    • 年月日
      2014-08-09 – 2014-08-09
  • [学会発表] 誘電泳動による迅速なBOD固定化電極の作製とバイオ燃料電池のカソードへの応用2014

    • 著者名/発表者名
      鋤崎武彦
    • 学会等名
      日本分析化学会近畿支部 ぶんせき秘帖 巻の八
    • 発表場所
      神戸セミナーハウス(兵庫県神戸市)
    • 年月日
      2014-08-09 – 2014-08-09
  • [学会発表] 白金メッシュ電極を組み込んだ送液システムによるレドックス分子の高効率電解2014

    • 著者名/発表者名
      田口 潤
    • 学会等名
      日本分析化学会近畿支部 ぶんせき秘帖 巻の八
    • 発表場所
      神戸セミナーハウス(兵庫県神戸市)
    • 年月日
      2014-08-09 – 2014-08-09
  • [学会発表] Separation of cells expressed specific antigen on the surface based on dielectrophoresis2014

    • 著者名/発表者名
      Tomoyuki Yasukawa
    • 学会等名
      WAC2014
    • 発表場所
      ワイコロア(アメリカ合衆国)
    • 年月日
      2014-08-02 – 2014-08-04
  • [学会発表] 直交型四重極電極を用いた誘電泳動による迅速な細胞凝集体の作製2014

    • 著者名/発表者名
      守島 麻
    • 学会等名
      バイオアセンブラ第7回公開シンポジウム
    • 発表場所
      東京大学(東京都目黒区)
    • 年月日
      2014-07-04 – 2014-07-04
  • [学会発表] マイクロウェルアレイ電極を用いたミエローマ細胞とB細胞の一括ペアリング2014

    • 著者名/発表者名
      吉村友希
    • 学会等名
      バイオアセンブラ第7回公開シンポジウム
    • 発表場所
      東京大学(東京都目黒区)
    • 年月日
      2014-07-04 – 2014-07-04
  • [学会発表] 直交型四重極電極を用いた誘電泳動による迅速な細胞凝集体の作製2014

    • 著者名/発表者名
      守島 麻
    • 学会等名
      第74回分析化学討論会
    • 発表場所
      日本大学工学部(福島県郡山市)
    • 年月日
      2014-05-24 – 2014-05-25
  • [学会発表] バイオLSI計測システムを用いた多項目多サンプル同時免疫計測システムの開発2014

    • 著者名/発表者名
      北東俊輝
    • 学会等名
      第74回分析化学討論会
    • 発表場所
      日本大学工学部(福島県郡山市)
    • 年月日
      2014-05-24 – 2014-05-25
  • [学会発表] マイクロウェル内への細胞誘導による迅速な一括ペアリング2014

    • 著者名/発表者名
      吉村友希
    • 学会等名
      化学とマイクロ・ナノシステム学会第29回研究会
    • 発表場所
      日本女子大学目白キャンパス(東京都文京区)
    • 年月日
      2014-05-22 – 2014-05-23
  • [学会発表] 抗原-抗体反応により捕捉した細胞の脱離に要する誘電泳動力の調査2014

    • 著者名/発表者名
      川島綾香
    • 学会等名
      化学とマイクロ・ナノシステム学会第29回研究会
    • 発表場所
      日本女子大学目白キャンパス(東京都文京区)
    • 年月日
      2014-05-22 – 2014-05-23
  • [図書] 誘電泳動を利用した細胞配列,三次元ティッシュエンジニアリング技術最前線,第1編第3章第5節2015

    • 著者名/発表者名
      安川智之、水谷文雄
    • 総ページ数
      10
    • 出版者
      株式会社エヌティエス
  • [図書] Hyper Bio Assembler for 3D Cellular Systems, Chapter 5, Discrimination of Cells with Specific Antigens Expressed on a Membrane Based on the Dielectrophoresis2015

    • 著者名/発表者名
      Tomoyuki Yasukawa, Fumio Mizutani
    • 総ページ数
      10
    • 出版者
      Springer
  • [図書] バイオセンシング技術の市場動向から読み解くバイオセンサの将来像と方向性,10年後の市場・技術予測とそこから読み解く必然の研究テーマ,第2部第5章第2節2014

    • 著者名/発表者名
      水谷文雄
    • 総ページ数
      4
    • 出版者
      技術情報協会
  • [備考] 兵庫県立大学大学院物質理学研究科化学分析学講座

    • URL

      http://www.sci.u-hyogo.ac.jp/material/analytical_chem/index-j.html

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公開日: 2016-06-01  

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