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2012 年度 実績報告書

イオン応答性電界効果トランジスタによるナノ細胞毒性とナノメディシンの評価

公募研究

研究領域ナノメディシン分子科学
研究課題/領域番号 24107507
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)

研究期間 (年度) 2012-04-01 – 2014-03-31
キーワードタンパク質 / 静電電荷検出 / 電界効果トランジスタ / pH / 結合速度論 / 細胞膜トランスポーター / 高次構造 / 変性
研究概要

タンパク質分子が元来有する表面電荷に着目し、電界効果トランジスタ(FET)を基とした半導体型センサーを用いて、その電荷を静電的相互作用に検出するという新たな手法を開発した。タンパク質の分子内電荷分布は非常に不均一であり、長距離の分子認識や複合体形成、生化学反応と密接にかかわっている。本研究では、吸着タンパク質の局所的な電荷情報を得ることで、分子レベルでの配向、変性過程などを評価することを検討した。高イオン強度溶液中における電荷検出は、溶液中の対イオンによって遮蔽されることを逆手に取り、タンパク質分子の接着斑近傍の電荷のみを選択的に検出できることが明らかとなった。また、既存のラベルフリー検出技術センサーによって得られた結果とFETセンサーで得られた結果とを比較することにより、吸着量の定量的な解析に加えて高次構造変化・分子配向といった定性的な情報を得ることが可能になった。
次に、イオン応答性電界効果トランジスタ(ISFET)を用いて、細胞膜を隔てて授受される水素イオンをトレーサーとして、 高感度(ΔpH = 0.01)、高時間分解能(Δt = 100 ms)、非侵襲で細胞膜トランスポーター活性を計測するセンシングプラットフォームを構築した。プロトン駆動型アミノ酸トランスポーターであるPAT1のプロリンに対する応答を観測したところ、トランスポーター活性を評価できることが判明した。なお、プロトンの移動を伴わないGAT1、ENaCにおいては、シグナルは検出されなかった。現在、不死化ヒト細胞を用いて、ナノ材料に対する細胞膜障害性を検討しているところであり、本技術の今後の応用が期待できる。

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

計画の遂行に関し、得られた知見をより詳細に検討する必要が生じ、装置を改良するまで、研究を延期することが必要となり、今年度おこなう予定であった研究意該当する研究用物品の購入が翌年度にずれ込んだため。

今後の研究の推進方策

まず、現在延期されている改良型検出装置の構築に取り組む。そして当初の計画に則って、生体分子・細胞・機能性ナノ材料・半導体デバイスを融合させ、電荷やイオンを信号変換要素として、生体分子のナノ界面での分子挙動、あるいは細胞とナノ材料との相互作用を高感度・高精度に評価することにより、生体分子の分子動態、ナノ材料に対する細胞毒性の一義的評価、細胞病態・治療効果・予後診断を科学パラメータにより統一的に評価することを目的とする。また、バイオミメティックス技術を用いて、生体内に存在する外部環境・局所環境に応じて変動するスマートな分子認識機構を再現する機能性ナノ界面を構築する。そうした機能性ナノ界面に対して半導体デバイスをセンサープラットフォームに用いることで、標的バイオ分子の静電荷や生化学反応にまつわるイオンを高感度・特異的に検出することが可能となる。これらバイオセンサーを用いて、細胞膜近傍の特定イオンを高感度・高精度に測定することにより、ナノ材料の細胞膜通過機構、各種オルガネラでの生化学反応に対する細胞内外でのイオン収支の解明、ナノ材料が細胞に形成する一時的なナノポアがもたらす胞膜障害性を定量的・一義的に評価することを目指す。

  • 研究成果

    (23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 (16件) (うち招待講演 1件) 図書 (3件) 備考 (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] 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
  • [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
  • [学会発表] Relaxation Modes in Chemically Cross-linked poly(2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine) Hydrogels2013

    • 著者名/発表者名
      Goda T, Ishihara K
    • 学会等名
      2nd International Conference on Biomaterial Science in Tsukuba
    • 発表場所
      茨城県、つくば市、エポカルつくば
    • 年月日
      20130319-20130322
  • [学会発表] 電気化学測定におけるタンパク質非特異吸着の影響2013

    • 著者名/発表者名
      山田恵梨子,野上こずえ,田畑美幸,三條舞,合田達郎,松元亮,宮原裕二
    • 学会等名
      第3回六大学連携プロジェクト公開討論会
    • 発表場所
      愛知県、名古屋市、名古屋大学
    • 年月日
      20130312-20130312
  • [学会発表] ホスリルコン基機能化ナノ界面が明らかにするC-反応性タンパク質の分子動態2013

    • 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4回全体会議
    • 発表場所
      兵庫県、神戸市、ニチイ学館
    • 年月日
      20130309-20130310
  • [学会発表] Label-free Electrical Detection of Exosomal microRNAs using Microelectrode Array2013

    • 著者名/発表者名
      Goda T, Masuno K, Kosaka N, Ochiya T, Matsumoto A, Miyahara Y
    • 学会等名
      NanoBio First International Symposium between Sweden and Japan
    • 発表場所
      東京都、文京区、東京大学
    • 年月日
      20130305-20130305
  • [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2013

    • 著者名/発表者名
      宮原裕二,松元亮,合田達郎,前田康弘,三條舞,田畑美幸
    • 学会等名
      分子ナノテクノロジー第174委員会第42回研究会
    • 発表場所
      京都府、京都市、京都テルサ
    • 年月日
      20130215-20130215
  • [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2013

    • 著者名/発表者名
      宮原裕二,松元亮,合田達郎,前田康弘,三條舞
    • 学会等名
      12-2超分子研究会
    • 発表場所
      東京都、目黒区、東京工業大学
    • 年月日
      20130122-20130122
  • [学会発表] AgS/AgCl表面混合相の組成制御と電位計測バイオセンシングへの応用2013

    • 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,津谷大樹,岩井秀夫,宮原裕二
    • 学会等名
      第22回インテリジェント材料/システムシンポジウム & 第7回バイオ・ナノテクフォーラムシンポジウム
    • 発表場所
      東京都、新宿区、東京女子医科大学
    • 年月日
      20130108-20130108
  • [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
      宮城県、仙台市、仙台国際センター
    • 年月日
      20121126-20121127
  • [学会発表] Exploring protein adsorption based on its innate charges2012

    • 著者名/発表者名
      Goda T, Matsumoto A, Miyahara Y
    • 学会等名
      The 7th Sweden - Japan BioNano Workshop
    • 発表場所
      スウェーデン、ストックホルム県、ストックホルム市
    • 年月日
      20121016-20121018
  • [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
      スウェーデン、ストックホルム県、ストックホルム市
    • 年月日
      20121016-20121018
    • 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
      東京都、文京区、東京大学
    • 年月日
      20120709-20120710
  • [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
      中華人民共和国、四川省、成都市
    • 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
      メキシコ合衆国、キンタナ・ロー州、カンクン市
    • 年月日
      20120515-20120518
  • [学会発表] Label-free Detection of Exosomal microRNAs using a Semiconductor Device2012

    • 著者名/発表者名
      Goda T, Masuno K, Nishida J, Matsumoto A, Miyahara Y
    • 学会等名
      Biosensors 2012
    • 発表場所
      メキシコ合衆国、キンタナ・ロー州、カンクン市
    • 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
      Biotech2012 アカデミックフォーラム
    • 発表場所
      東京都、江東区、東京ビックサイト
    • 年月日
      20120425-20120427
  • [学会発表] A Label-free Electrical Detection of Exosomal miRNAs using Microelectrode Array2012

    • 著者名/発表者名
      Goda T, Matsumoto A, Miyahara Y
    • 学会等名
      2012 ISEV Annual Scientific Meeting
    • 発表場所
      スウェーデン、ヴェストラ・イェータランド県、ヨーテボリ市
    • 年月日
      20120418-20120420
  • [図書] Nanotechnology, Nanosensing2013

    • 著者名/発表者名
      Tatsuro Goda, Yuji Miyahara
    • 総ページ数
      400
    • 出版者
      Studium Press LLC
  • [図書] Manipulation of Nanoscale Materials: An Introduction to Nanoarchitectonics2012

    • 著者名/発表者名
      Tatsuro Goda, Yuji Miyahara
    • 総ページ数
      473
    • 出版者
      The Royal Society of Chemistry
  • [図書] 先端バイオマテリアルハンドブック2012

    • 著者名/発表者名
      合田達郎, 宮原裕二
    • 総ページ数
      656
    • 出版者
      NTS出版
  • [備考] 宮原研究室 東京医科歯科大学, The Yuji Miyahara Lab. TMDU

    • URL

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

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公開日: 2015-05-28  

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