中⼭山⼈人間科学財団活動報告書   2016    平成 28（2016）年度研究助成      ⽣生体情報関連分⼦子の唾液モニタリング・チップの開発        古澤   宏幸    ⼭山形⼤大学⼤大学院理⼯工学研究科          【緒⾔言】  近い将来に⾼高齢化社会が訪れることは世界的な潮流となっており、2050 年には世界⼈人⼝口の 18％が 65 歳以上となると予測されている[1]。⽇日本においても例外ではなく、国⺠民の健康問題と共に医療費の⾼高騰が懸念されている。実際に国⺠民医療費は右肩上がりで増加しており、2013 年には初めて 40 兆円を越えたことが新聞等でも報道された[2]。  
そうした中、『予防医療』という考え⽅方が提⾔言されている。これまでの医療のように病気・疾患患者に投薬・治療を実施するだけではなく、健康な⼈人が健康を維持・増進できるように⽀支援するというコンセプトである。成⼈人病などの病気・疾患を予防するには個々の⽣生活習慣の改善が重要であることに加え、病気を早期に発⾒見し治療に取り組むことや、病後の再発防⽌止のケアに取り組むことも有効である。定期的な健康診断や⼈人間ドックの活⽤用がそれに該当するが、⼤大型検査装置を⽤用いる必要があるため受診機会が年に⼀一度しかなかったり施設に出向く必要があるなど、敷居が⾼高いのがネックとなっている。誰でも気軽に家庭などで健康診断できる装置があれば、予防医療に資すると期待される。  
近年、有機半導体材料を柔らかいシート基板に印刷し有機トランジスタ回路を搭載した軽くて柔軟なデバイス開発の研究が盛んに⾏行われている。こうしたデバイスは安価なディスポーザブル回路チップとして利⽤用でき、バイオセンサーとしての利⽤用も検討されている（図１）[3]。従来、⾎血液検査で測定されていた⽣生体情報関連分⼦子（バイオマーカー）がこうした安価で簡便なデバイス・チップで測定できれば、誰でも簡便に各家庭において⽇日々の健康状況を客観的に評価するための健康診断デバイスとして利⽤用でき、パーソナル診断が実現できる。そのためには有機トランジスタ上でバイオマーカーの存在を電気シグナルに変換するしくみを構築する必要がある。    
参照電極有機半導体層

ドレイン電極検出対象物質+ソース電極ゲート絶縁膜
ゲート電極基板SD++G有機トランジスタ部位センサーチップ部位受容体有機トランジスタ部位図１   有機トランジスタ型バイオセンサーの模式図[3]  センサーチップ部位  本研究課題では、バイオマーカーの存在を酵素の分⼦子特異性、反応性を活⽤用して電気シグナルに変換する酵素膜を開発し、印刷型有機トランジスタ型デバイスと組み合わせることによって、⼤大型検査装置を⽤用いることなく様々な特定の低分⼦子を⼿手軽に⾃自⾝身で検出できる⽣生体情報関連分⼦子モニタリング・チップを開発することを⽬目指した。
将来的には⾮非侵襲に測定可能なように唾液から測定することを想定し開発を⾏行った。  
  【研究計画】  本研究では、疾病として⽇日本で 700 万⼈人以上の患者がいると⾔言われている糖尿病に着⽬目し、糖尿病モニタリング・チップの構築を検討した。糖尿病のモニターには、糖尿病のバイオマーカーの⼀一つである 1,5-‑アンヒドログルシトール（1,5AG）や⾎血中のグルコースを検出する⽅方法などがある[4,5]。ここでは、1,5AG もしくはグルコースと反応する酵素[6]を利⽤用して酵素膜を構築し、有機トランジスタ型デバイスと組み合わせて電気信号としてバイオマーカーを検出可能か検討を⾏行った（図２）。      図２   酵素を⽤用いて 1,5 アンヒドログルシトールおよびグルコースを  電気シグナルに変換する酵素変換膜の模式図    検出機構は、1,5AG およびグルコースが酸化酵素により酸化されると過酸化⽔水素（H2O2）が⽣生成されるため基板上の２価の鉄（Fe2+）を含むプルシアンブルーカーボンが酸化を受けて３価の鉄（Fe3+）に変換されることを利⽤用する。センサー表⾯面の荷電状況の変化がトランジスタのゲート電極に影響を与え、その結果、絶縁層を介してゲート電極上にある 2 つの電極間、ソース電極からドレイン電極への電流量（S-‑D 電流）が変化する。こうした変化は、ゲート電圧の値に対して S-‑D 電流量をプロットしたトランジスタ特性曲線のシフトとして観察することができる（図２左）。  
  【進捗状況】  ⼤大きさ数センチ程度のプラスチック基板の⽚片側に⾦金を蒸着したセンサーチップを作成した。プルシアンブルーカーボン・ペーストを薄く塗布し乾燥させ、この上にピラノース酸化酵素もしくはグルコース酸化酵素溶液を⾼高分⼦子溶液との混合溶液として塗布して酵素膜を調製した。  
印刷型有機トランジスタのゲート電極に酵素膜をもつセンサーチップを電気的に接続し、センサー表⾯面を⽔水溶液に浸漬して印加するゲート電圧を変えながら有機トランジスタのソースとドレイン間に流れる S-‑D 電流値の測定を⾏行い、トランジスタ特性を観察した。続いて、センサーチップをバイオマーカーである 1,5AG もしくはグルコースの溶液に浸漬し、同様にトランジスタ特性を観察し、特性曲線がシフトしたかどうか⽐比較した。  
結果を図３に⽰示す。ピラノース酸化酵素（POx）は、1,5AG およびグルコースのどちらも酸化することができる。実際にピラノース酸化酵素を含む酵素膜を塗布したセンサー上に 1,5AG の溶液を滴下したところ、トランジスタ特性を⽰示す曲線が 1,5AGの濃度に応じて左側にシフトする様⼦子が観察された（図３左）。このことは有機トランジスタで糖尿病のバイオマーカーである 1,5AG を電気的に検出できたことを⽰示している。グルコースに対しても同様の結果が得られた（図３右）。  
次に、酵素の種類を変えてグルコース酸化酵素（GOx）を含む酵素変換膜センサーで実験を⾏行ってみた（図４）。この酵素はグルコースのみ酸化する。実際に 1,5AG の溶液を測定したところ特性曲線にシフトは⾒見られず、⼀一⽅方、グルコース溶液の場合には特性曲線のシフトが観察された。このことはセンサー上の酵素膜が分⼦子の種類を識別できていることを⽰示している。  以上の結果を踏まえると、グルコース酸化酵素（GOx）膜を⽤用いるとグルコースの量のみ測定でき、⼀一⽅方ピラノース酸化酵素（POx）膜はグルコースと 1,5AG の合計量が測定できるため、グルコースと 1,5AG が混在しているような体液中でも⼆二つの酵素膜の差分から 1,5AG の量を測定することができることになる。  
有機トランジスタ型デバイスと酵素膜をもつセンサーチップを組み合わせることで、特定の⽣生体情報をもつバイオマーカー（1,5AG）をモニタリング可能であることがわかった。      図３   ピラノース酸化酵素（POx）膜上に 1,5 アンヒドログルシトール（1,5AG）（左）  およびグルコース（右）溶液を所定濃度、滴下したときのトランジスタ特性  曲線のシフトの様⼦子      図４   グルコース酸化酵素（GOx）膜上に 1,5 アンヒドログルシトール（1,5AG）（左）  およびグルコース（右）溶液を所定濃度、滴下したときのトランジスタ特性  曲線のシフトの様⼦子      【今後の展望】  本研究ではフィルム形状のデバイスがバイオマーカー検出に利⽤用可能であることが⽰示された。このことは安価で気軽に利⽤用できる健康診断デバイスとして利⽤用することが期待できることを⽰示唆している。それに加えて、パーソナル診断デバイスは⾮非侵襲であることが望まれる。そのためには唾液や尿などからバイオマーカーを検出する必要がある。体液中の夾雑物の影響を受けずにバイオマーカーを検出できる技術と組み合わせたデバイス開発が継続して必要であると考えている。    
謝辞  本研究は、公益財団法⼈人   中⼭山⼈人間科学振興財団から研究助成をうけて実施されました。ここに深く感謝いたします。また、本研究の遂⾏行にあたり、時任静⼠士教授（⼭山形⼤大学・有機エレクトロニクス研究センター）並びに市村祐介⽒氏（⼭山形⼤大学・⼯工学部）のご協⼒力をいただきました。ここに御礼申し上げます。    
  参考⽂文献：  [1]  https://ja.wikipedia.org/wiki/⾼高齢化社会#cite_̲note-‑WPA-‑UN-‑1  [2]  http://www.nikkei.com/article/DGXLASFS07H2V_̲X01C15A0000000/  [3]古澤宏幸、時任静⼠士：有機トランジスタを⽤用いたバイオセンサー応⽤用、⼯工業材料、Vol.  65(2)、35‒–37  (2017).  
[4]  T.  Yamanouchi,  S.  Minoda,  M.  Yabuuchi,  Y.  Akanuma,  H.  Akanuma,  H.  Miyashita,  and  I.  Akaoka,  “Plasma  1,5-‑anhydro-‑D-‑glucitol  as  new  clinical  marker  of  glycemic  control  in  NIDDM  patients”,  Diabetes,  38(6),  723‒–729  (1989).  
[5]   W.   Nowatzke,   M.   J.   Sarno,   N.   C.   Birch,   D.   F.   Stickle,   T.   Eden,   and   T.   G.   Cole,  Clinica  Chimica  Acta,  350,  201‒–209  (2004).  
[6]   Y.   Fukumura,   S.   Tajima,   S.   Oshitani,   Y.   Ushijima,   I.   Kobayashi,   F.   Hara,   S.  
Yamamoto,  M.  Yabuuchi,  “Fully  enzymatic  method  for  determining  1,5-‑anhydro-‑D-‑glucitol  in  serum”,  Clinical  Chemistry,  40(11),  2013‒–2016  (1994).