Development of a label-free bio image sensor to visualize the neurotransmitter dynamics for elucidation of the tripartite synapse.

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本研究では，神経伝達物質（ATP，Lactateなど）やイオン（Caイオン，Kイオン）の時空間ダイナミクスを非標識で可視化可能な画素ピッチ23.55 umの神経伝達物質・イオンイメージセンサを実現し，バイオイメージングへの可能性を検証した。神経伝達物質イメージセンサについては，標的物質としてのATP，Lactate, GlutamateについてuMからnMレベルでの低濃度検出を実現できており，前年度に開発したセンサ上に脳神経組織（海馬）のスライス標本を乗せて細胞外応答を検証した。興奮性の神経伝達を模倣したグルタミン酸刺激でATP由来の信号変化は計測できなかったが，Lactateの空間的放出応答を可視化可能なイメージングデバイスを実証した。イオンイメージセンサについては，昨年度に開発し海馬スライスを用いたグルタミン酸刺激実験で細胞外Ca2+（[Ca2+]o）が低下すること，この応答にNMDA型グルタミン酸受容体の関与を示唆しており，本年度は[Ca2+]o低下について，NMDAおよび受容体阻害薬を用いて検証した。NMDA刺激実験で海馬スライスの神経細胞層に沿って[Ca2+]o低下が認められ，この応答はNMDA受容体の阻害薬の存在下でほぼ消失した。これより，[Ca2+]o低下に記憶や学習に深く関わるNMDA受容体が強く関与することを明らかにした。また，K+イオノフォアを分子認識素子とし，高感度，高い選択性を備えたK+イメージセンサの開発にも成功した。本センサを用いた海馬スライスの薬剤刺激実験では，細胞外K+の時空間分布がダイナミックに変化する様子をリアルタイムに可視化し，イメージングデバイスとしての機能を実証した。さらに，感応膜の膜厚が空間解像度に大きく影響することを生体実験で実証し，薄膜化の有用性を示した。