2020 Fiscal Year Annual Research Report
新概念高速液流気液界面プラズマによる短寿命活性種バイオサイエンスの基盤確立
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18H03687
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
金子 俊郎 東北大学, 工学研究科, 教授 (30312599)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高島 圭介 東北大学, 工学研究科, 助教 (70733161)
宮本 浩一郎 東北大学, 工学研究科, 准教授 (70447142)
神崎 展 東北大学, 医工学研究科, 准教授 (10272262)
立川 正憲 徳島大学, 大学院医歯薬学研究部(薬学域), 教授 (00401810)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 気液界面プラズマ / 短寿命活性種 / 細胞応答 / 高速液流 / マイクロ流路 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，「極短寿命活性種」による細胞応答の機序解明と生命機能制御の学術基盤を創成することを目的としている．これまでの成果を踏まえて，2020年度は以下の成果を得た．
1．気液界面プラズマで生成される極短寿命活性種の選択計測手法の確立：これまでに，高速液流中での短寿命活性種の時空間分解計測に成功し，OHの表面局在分布と長寿命活性種による消費を考慮した反応拡散モデルを構築した．本年度は第一に，反応モデルを活性酸素種以外に活性窒素・塩素・硫黄種を考慮したものに拡張した．そのモデルによる計算の結果，OHと塩素イオンが反応して次亜塩素酸を生成し，さらにスーパーオキシドアニオンラジカルと反応することでOHラジカルを再生成することが明らかとなった．さらに，OHと硫化水素が反応することで，ポリ硫黄の一種であるポリサルフェンが生成されることが明らかとなった．第二に，気相中・液相中の低吸光度活性種を観測するためのレーザーキャビティリングダウン分光システムを構築し，オープンキャビティにおいてプラズマ生成活性酸素種の計測に成功した．
2．高速液流への高密度短寿命活性種供給気液界面プラズマ発生技術の開発：これまでに開発した高速液流に高密度活性種を供給できるプラズマ装置において，ガス種としてヘリウムおよび空気を用いて気相中に生成される活性酸素・窒素種を変化させ，また液相中に塩化ナトリウムおよび硫化水素を溶解させることで，液相中に短寿命の活性塩素種および活性硫黄種を生成できることを示し，吸収分光法及び蛍光プローブ法を用いて検証した．
3．高速液流中の短寿命活性種の細胞への選択的作用手法の確立と細胞応答機序解明：これまでに確立した高速液流を流す微小流路途中に細胞・アミノ酸を配置するシステムを構築し，液相中の活性種による細胞の変化を半導体センサを用いてリアルタイムで計測することに成功した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
気液界面プラズマにより高速液流中で生成される極短寿命活性種の計測と理論モデルの構築に成功し，さらに活性酸素種のみならず，活性窒素種，活性塩素種，活性硫黄種を考慮するモデルに拡張することで，活性塩素種の次亜塩素酸および活性硫黄種のポリサルフェンの生成を計算により明らかにした．一方で，プラズマによる短寿命活性種生成においても，ガス種としてヘリウムおよび空気を用いて，さらに液相中に塩化ナトリウムおよび硫化水素を溶解させることで，液相中に活性塩素種および活性硫黄種を生成できることを示した．さらに，これらの制御された短寿命活性種を細胞やアミノ酸に作用させるシステムを構築し，活性種組成による細胞応答やアミノ酸修飾のメカニズムを明らかにした．
以上の理由により，おおむね順調であると言える．
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年度までの成果を踏まえて，今後は以下の研究を推進する．
1. これまでに，気相中・液相中の低吸光度活性種の吸収分光を行うためのレーザーキャビティリングダウン分光システム（CRDS）を構築し，さらに化学プローブを用いた蛍光計測による高速液流中での極短寿命活性種の時空間分解計測とその挙動を解析する反応拡散モデルの構築を実施した．最終年度の2021年度は，CRDSと化学プローブ法を併用して（活性種と標識分子の付加体の吸収分光），これまでに生成が確認された種々の極短寿命活性酸素・窒素・塩素・硫黄種のプラズマ気液界面での時空間分解計測を実現する．
2. これまでに，「荷電粒子エネルギー制御プラズマ」および「帯電反転制御プラズマ」を用いて純水および導電性液体の境界面で種々の短寿命活性酸素・窒素・塩素・硫黄種を生成して高速液流中に供給できる装置を構築してきた．最終年度の2021年度は，これまで開発してきた二つの気液界面プラズマ発生装置を駆使して，1での計測結果と反応拡散モデルにより予測される短寿命活性種を，供給するガス種および高速液流の液体種を制御して選択的に合成する実験を行う．
3. これまでに，プラズマを照射した高速液流の微小流路内でのpHおよび各寿命の活性種の計測を行うとともに，微小流路内に細胞・アミノ酸を高速液流と一緒に流すシステムおよび微小流路途中に細胞・アミノ酸を配置するシステムを構築して，短寿命活性種の効果を調べてきた．最終年度の2021年度は，1および2の成果により選択的に合成される短寿命活性酸素・窒素・塩素・硫黄種を細胞・アミノ酸に作用させ，アミノ酸の修飾，細胞中のタンパク質変性解析から極短寿命活性種の細胞内での反応対象を明らかにし，細胞応答の機序を解明する．
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