金沢大学ナノ生命科学研究所のYuri Korchev教授，髙橋康史准教授，英国?インペリアル?カレッジ?ロンドンのYanjun Zhang博士，富山大学薬学部の酒井秀紀教授，藤井拓人助教の国際共同研究グループは，ナノスケールのpHセンサーを独自に開発し，胃酸放出細胞やがん細胞表面でのナノスケールのpHイメージングに成功しました。
生体内の細胞は，細胞固有の細胞外微小環境（※1）に取り囲まれており，細胞が生きていく上では，この細胞外微小環境を中性に保つことが必要です。細胞内で腫瘍や炎症が生じると細胞外微小環境が酸性化するなど，pHの異常はさまざまな疾患につながります。そのため，細胞外微小環境での細胞外pH（pHe）の測定は，細胞の機能調整とpHの関係を理解するために重要です。しかし，これまで一般的に用いられているpHプローブでは，分解能や反応速度などの課題があり，pHeの定量化が困難でした。
本国際共同研究グループは，pH感受性の膜をナノスケールのガラスピペットに修飾したナノピペット型pHセンサーを独自開発し，pHeを単一細胞レベルかつ非標識でイメージングすることに成功しました。さらに，このナノピペット型pHセンサーに，走査型イオンコンダクタンス顕微鏡（SICM）（※2）の計測原理を適用することで，pHeを計測するだけでなく，細胞表面の形状を超解像度レベルで同時に取得することが可能となり，実際に，がん細胞表面のpHeプロファイルを3次元的に可視化することに成功しました（図4（c））。
開発したナノピペット型pHセンサーをSICMに応用したSICM-pHナノピペットセンサ―技術は，がんの診断の新たな技術となるだけでなく，細胞外酸性化速度の評価に貢献することが期待されます。
本研究成果は，2019年12月6日10時（英国時間）に英国科学誌『Nature Communications』のオンライン版に掲載されました。
図1. （a）pHeと細胞表面形状の同時イメージング技術の概要と（b）プローブの作製方法
図2. ナノピペット型pHセンサーによるpHe計測およびイメージング
メラノーマ細胞の（左）形状と（右）pHeイメージ。細胞の不均一性に依存して，細胞表面のpHeにも違いがあることがイメージングにより明らかとなった。スケールバーは，20 um。
【用語解説】
※1 細胞外微小環境
生体内の細胞が，さまざまな成分からなる細胞固有の環境に取り囲まれている環境。細胞外微小環境から発生するシグナルは，細胞の分化，分裂，動態を制御している。特にがん細胞近傍の酸化環境については，がんの増殖などとも密接に関わりがあるとされる。
※2 走査型イオンコンダクタンス顕微鏡（SICM）
ナノピペットをプローブとして用いて，イオン電流をフィードバックシグナルに利用し，非接触で試料のナノスケールの形状測定を行う。具体的には，ナノピペット先端部を通過するイオン流が，試料近傍において物理的に阻害され，イオン電流が減少するときのシグナルの変化を利用して，ピペットと試料間距離を制御し，非接触で溶液中の試料の表面形状を取得する。
研究者情報：髙橋 康史
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