Development of semiconductor-based biosensing system for quality evaluation of embryo obtained by in vitro fertilization

开发基于半导体的生物传感系统，用于体外受精获得的胚胎质量评估

基本信息

批准号：
22H03920
负责人：
坂田利弥
金额：
$ 11.23万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

半導体バイオセンサのゲート電極表面に細胞培養に適した化学修飾を施し細胞を培養する。その際、細胞とゲート電極との間に形成されるナノメートルオーダーのギャップに細胞呼吸により蓄積される乳酸や二酸化炭素といった代謝産物がpH変化を誘導する。つまり、この細胞/ゲート電極間のナノギャップ領域でのpH変化を半導体バイオセンサにより非侵襲的に計測可能となる。本来、半導体バイオセンサのゲート電極表面は酸化膜から構成されており、pH応答性が良好で電気化学的にはネルンスト応答（59.2 mV/pH at 25 ℃）を示す。しかしながら、現状ではゲート電極とその周辺部まで細胞が一面に培養されているため、個々の細胞に基づくpH変化を再現性良く定量的に見積もることが困難である。特に、個々の評価が必要な体外受精卵（胚）を対象とする場合、各ゲート電極上に体外受精後の胚を一つ一つ静置し長時間活性をモニタリングする必要がある。そこで本研究では、計測対象を胚とし、一つのゲート電極上に一つの胚が固定可能なウェルを含むカートリッジ型プレートを作製し、個々の胚の呼吸活性を再現良く定量的に評価する。当該年度は、マウス胚の呼吸活性を計測およびその形態を観察可能な透明ゲート半導体バイオセンサを作製するとともに、そのゲート電極にマウス胚1個を配置するためのウェルを作製した（カートリッジ型プレート）。また、上記カートリッジ型プレートを用いて電気計測の可能性について調査した。

通过对半导体生物传感器的栅电极表面应用适合细胞培养的化学修饰来培养细胞。此时，通过细胞呼吸在细胞和栅电极之间形成的纳米级间隙中积累的乳酸和二氧化碳等代谢物会引起pH变化。换句话说，可以使用半导体生物传感器非侵入性地测量细胞/栅电极之间的纳米间隙区域中的pH变化。最初，半导体生物传感器的栅电极表面由氧化膜组成，具有良好的pH响应性并表现出电化学能斯特响应（25℃时为59.2 mV/pH）。然而，由于目前细胞在整个栅电极及其周围区域进行培养，因此很难以良好的重现性基于单个细胞来定量估计pH变化。特别是，当针对需要单独评估的体外受精卵（胚胎）时，需要将体外受精后的每个胚胎放置在每个栅电极上并长期监测其活性。因此，在本研究中，我们将使用胚胎作为测量目标，制作一个包含孔的盒式板，其中一个胚胎可以固定在一个门电极上，并以良好的重现性定量评估单个胚胎的呼吸活动。在本财年，我们创建了一种透明栅极半导体生物传感器，可以测量小鼠胚胎的呼吸活动并观察其形态，还创建了一个用于将一个小鼠胚胎放置在栅极电极（盒式板）上的孔。我们还研究了使用盒式板进行电气测量的可能性。