テラヘルツ波によるラベルフリーバイオチップシステムの開発

文献情報

• 文献番号: 200812009A
• 報告書区分: 総括
• 研究課題名: テラヘルツ波によるラベルフリーバイオチップシステムの開発
• 課題番号: H18-ナノ・若手-003
• 研究年度: 平成20(2008)年度
• 研究代表者(所属機関): 小川 雄一(国立大学法人東北大学 大学院農学研究科)

研究分担者(所属機関)

• 林　伸一郎(理化学研究所)

• 研究区分: 厚生労働科学研究費補助金 厚生科学基盤研究分野 医療機器開発推進研究（ナノメディシン研究）
• 研究開始年度: 平成18(2006)年度
• 研究終了予定年度: 平成20(2008)年度
• 研究費: 4,000,000円
• 研究者交替、所属機関変更: -

研究報告書（概要版）

研究目的

本研究では、テーラーメイド医療やライフサイエンス研究現場での利用を目指した、ラベルフリーバイオチップシステムの開発を目的とする。特に、テラヘルツ波と呼ばれる未開拓電磁波の特徴を利用した、抗原抗体反応などを非標識でセンシングする手法の確立と、その技術をシステム化するためのテラヘルツ波光源を開発し、ラベルフリーかつ安価で迅速な診断および分析を可能とする技術を確立する。

研究方法

非標識検査における夾雑物下での影響を調べるために、夾雑物下での非標識検出モデル実験を行った。この実験では、自己抗体フリーのヒト血清に抗体を加えたモデルサンプルを作成し、メンブレン上の抗原との検出を非標識で検出することを試みた。次に、金属メッシュセンサの有効性を確認するために、α-カゼインに対する抗α-カゼイン抗体の検出を試みた。さらに、多点計測による網羅的解析法の検討を進めるために、テラヘルツ干渉イメージング法を提案し、その原理検証ならびに小分子-タンパク質の非標識検出実験を行った。専用テラヘルツ波光源の開発には、金属メッシュセンサの特性に合わせるための狭線化技術の開発を実施した。

結果と考察

夾雑物下においても特異的に結合している抗体の検出が可能であることが明らかとなり、非標識検出の基礎データを得た。アレルゲンの検出においては、概算量で9 ng/mm2のα-カゼインの結合が検出でき、抗原抗体反応においてngオーダーのタンパク質量の検出の可能性が示された。THz干渉イメージング法では高感度な画像計測が実現できることが実証され、メンブレンに固定化されたビオチンとストレプトアビジンの結合において、1.6×10-5 Mの微量計測に成功した。光源開発においては、励起光源をマイクロチップレーザーを採用することで、10GHz以下の狭線化に成功した。

結論

夾雑物下での非標識検出の検討、自己抗体やアレルゲンを対象とした研究を進め、本手法の有効性や問題点を明らかにした。新しい非標識検査手法を提案し、原理検証実験ならびに小分子アレイによる特定タンパク質の非標識検出に成功した。小型テラヘルツ波光源は、金属メッシュセンサの急峻な透過特性を利用するのに適した10GHz以下の線幅を有していることや、干渉イメージングで必要な干渉性を兼ね備えている点、また波長可変性を持ち、基材にあわせた波長を選択できる小型光源であり、本課題で進めている非標識検査装置のコアになる光源として最適なものといえる。

公開日・更新日

• 公開日: 2011-05-30
• 更新日: -

文献情報

• 文献番号: 200812009B
• 報告書区分: 総合
• 研究課題名: テラヘルツ波によるラベルフリーバイオチップシステムの開発
• 課題番号: H18-ナノ・若手-003
• 研究年度: 平成20(2008)年度
• 研究代表者(所属機関): 小川 雄一(国立大学法人東北大学 大学院農学研究科)

研究分担者(所属機関)

• 林　伸一郎(理化学研究所)

• 研究区分: 厚生労働科学研究費補助金 厚生科学基盤研究分野 医療機器開発推進研究（ナノメディシン研究）
• 研究開始年度: 平成18(2006)年度
• 研究終了予定年度: 平成20(2008)年度
• 研究者交替、所属機関変更: -

研究報告書（概要版）

研究目的

本研究では、テーラーメイド医療やライフサイエンス研究現場での利用を目指した、ラベルフリーバイオチップシステムの開発を目的とする。特に、テラヘルツ波と呼ばれる未開拓電磁波の特徴を利用した、抗原抗体反応などを非標識でセンシングする手法の確立と、その技術をシステム化するためのテラヘルツ波光源を開発し、ラベルフリーかつ安価で迅速な診断および分析を可能とする技術を確立する。

研究方法

本研究は、①THz帯電磁波の非標識検査技術への基礎研究、②金属メッシュによるセンサ技術の確立、③THz波光源技術の開発、④画像化技術の開発に大別される。①ではTHz帯における生体高分子やメンブレンフィルターの分光学的評価を行い、夾雑物下での抗原抗体反応の非標識検出の基礎研究を行った。②では金属メッシュセンサの作成法および高感度化のための動作原理の探求、定量的な感度評価を実施した。③では金属メッシュセンサの特性に合わせた小型THz波光源の開発を行い、④では多点計測によるハイスループット化のための技術開発を行った。

結果と考察

メンブレンは多孔質なため、THz波にとっては低い屈折率と吸収特性を有した材料であり、透過測定による非標識検出に適した材料である。この特性を利用したヒト血清モデルサンプルでの検出に成功した。金属メッシュの急峻なディップは回折エバネッセントと関係あり、最適化のための知見を得た。この特性を有効に利用するためにマイクロチップレーザーを励起光源としたTHz波パラメトリック発振に光注入を行い、10GHz以下の線幅を持つ小型THz波光源の開発に成功した。本研究であらたに考案した干渉波を利用する高感度画像化技術を用いて、小分子-タンパク質の結合を非標識で検出することに成功し、1.6ｘ10-5Mの検出感度を得た。

結論

THz波による抗原抗体反応や小分子-タンパク質の結合を非標識で検出することは実現可能な手法であり、高感度化のための要素技術として、金属メッシュセンサやTHz波パラメトリック光源、THz干渉イメージング法が有効であることが示された。しかし、本手法に適した基材であるメンブレン上に印刷でセンサを作成することが困難であることが明らかとなり、センサ作成技術に課題を残した。一方で新たに提案した画像化技術はメンブレン上にセンサを構成する必要が無く、この問題を解決できる一つの策であることから、今後カメラ技術との融合による実用化の可能性が期待される。

公開日・更新日

• 公開日: 2011-05-30
• 更新日: -

行政効果報告

• 文献番号: 200812009C

成果

• 専門的・学術的観点からの成果: THz帯での生体高分子やメンブレンの分光学的特性を評価し、メンブレン上での抗原抗体反応などの有無を非標識で検出する試みは世界的に見ても新しい試みである。また、高感度化のための金属メッシュや干渉波形を利用したセンシング法およびTHz波光源の開発は、これらを実用化するために不可欠な技術開発である。それらの研究により、国際競争力が必要な創薬のリガンド探査や予防医療のための自己抗体の検出などが、未開拓電磁波であるテラヘルツ波の新しい応用可能性であることを明らかにした点は、本研究の学術的な成果である。
• 臨床的観点からの成果: 本研究では、具体的な臨床学的知見を得る段階に達していないが、本研究で推進するラベルフリーチップシステムの開発は、今後の医療診断の現場や予防医療の観点からも必要な技術と考えられる。特に小型で簡便かつ安価な技術開発は、地方と都市の医療格差の問題を緩和する効果が期待できる。また、研究の分野では従来手法による標識化が困難な物質の検出技術に利用できることから、新たな知見や医薬品の創出に繋がることが期待できる。
• ガイドライン等の開発: 該当なし
• その他行政的観点からの成果: 該当なし
• その他のインパクト: Appl. Phys. Lett.に掲載された論文”Terahertz sensing method for protein detection using a thin metallic mesh”が、2008年1月のVirtual Journal of Biological Physics Researchに選出された。2008年9月8日の日経産業新聞で本研究が紹介された。第60回日本生物工学会の一般講演527題のうち、19演題が選出されたトピックスガイドに本研究で行った研究が選ばれた。

発表件数

• 原著論文（和文）: 5件
• 原著論文（英文等）: 3件
• その他論文(和文): 12件 ; 講演予稿集
• その他論文(英文等): 10件 ; 国際会議Prccedings
• 学会発表(国内学会): 28件
• 学会発表(国際学会等): 13件
• その他成果(特許の出願): 0件 ; 「出願」「取得」計3件
• その他成果(特許の取得): 0件
• その他成果(施策への反映): 0件
• その他成果(普及・啓発活動): 0件

主な原著論文20編（論文に厚生労働科学研究費の補助を受けたことが明記された論文に限る）

• 原著論文1: 小川雄一、林伸一郎、吉田永 他; テラヘルツ波を利用した試薬レスタンパク質分析の基礎研究; 日本赤外線学会誌 , 16 (2) , 52-59 (2007)
• 原著論文2: H. Yoshida, Y. Ogawa, Y. Kawai et al.; Terahertz sensing method for protein detection using a thin metallic mesh; Applied Physics Letters , 91 (25) , 25390- (2007)
• 原著論文3: 小川雄一、林伸一郎; テラヘルツ波による生体高分子の非標識検出; 分光研究 , 57 (5) , 228-237 (2008)
• 原著論文4: Y. Ogawa, S. Hayashi, M. Oikawa et al.; Interference terahertz label-free imaging for protein detection on a membrane; Optics Express , 16 (26) , 22083-22089 (2008)

公開日・更新日

• 公開日: 2015-05-26
• 更新日: -