image: Ion-sensitive field effect transistors detect breast cancer cells expressing EGFR when bound by an antibody linked to a chemical reporter view more
Credit: Department of Bioelectronics, TMDU
東京医科歯科大学生体材料工学研究所バイオエレクトロニクス分野の田畑美幸特任准教授と医歯理工融合研究センターの宮原裕二特任教授の研究グループは、酵素修飾抗体を用いて標的膜タンパク質である抗原マーカーをラベリングし、酵素反応の結果生じるpH変化をタンパク質発現量の違いとしてイオン応答性電界効果トランジスタ（Ion-sensitive field effect transistor, ISFET）で検出する計測方法を世界で初めて提案し、その基本原理を実証しました。リキッドバイオプシー※２のバイオマーカーの一つである血中循環腫瘍細胞（Circulating tumor cell, CTC）※３の検出及びその不均一性解析への応用が期待できます。この研究は国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）のさきがけJPMJPR21B8および研究成果展開事業「センター・オブ・イノベーション（COI）プログラム」、文部科学省（MEXT）共同利用・共同研究拠点「生体医歯工学共同研究拠点」の支援のもとでおこなわれたもので、その研究成果は、9月2日に国際科学誌Journal of the American Chemical Societyにオンライン掲載されました。
【研究の背景】
リキッドバイオプシーは疾病診断技術の一つで、血液や唾液などの体液を低侵襲または非侵襲に採取し、その中に含まれる細胞、核酸、タンパク質などの生体分子を解析します。リキッドバイオプシーのバイオマーカーの一つである血中循環腫瘍細胞（Circulating tumor cell, CTC）について、疾病との関連性評価には蛍光ラベリングによる核酸定量解析法や免疫染色を利用した生物学的手法が採用されています。こうした方式は操作に専門の手技を要し、また、検査結果を得るまで一定の期間を必要とするため、いつでもどこでも誰にでもという使い方には適しません。そのため、従来の評価法に置き換わる小型で簡便な検査プラットフォームの開発が求められています。
【研究成果の概要】
小型で簡易測定可能な超高感度リキッドバイオプシープラットフォームの創製を目指し、酵素修飾抗体で標的膜タンパク質である抗原マーカーをラベリングし、酵素反応の結果生じるpH変化をイオン応答性電界効果トランジスタ（Ion-sensitive field effect transistor, ISFET）で計測する膜タンパク質検出法を開発しました。
具体的に、CTCのモデルとして４種の乳がん関連細胞株（BT474, MDA-MB-231 (MM231), MDA-MB-468 (MM468), MDA-MB-453 (MM453)）を用い、細胞膜表面に存在するがん特異的なタンパク質（Epidermal growth factor receptor, EGFR）の発現量の違いを酵素反応の結果生じるpH変化として、pHセンサであるIon-sensitive field effect transistor（ISFET）で検出しました。細胞接着層を介してISFET上に捕捉されている細胞に対し、グルコースオキシダーゼ修飾EGFR抗体を結合させ、基質のグルコースを添加すると酵素反応によりグルコン酸が生成し系のpHが下降しました。つまり、膜タンパク質発現量に依存したpH変化が生じました。この細胞トランジスタを用いたpH変化に基づく膜タンパク質計測結果はFACSの結果と良く一致し、基質添加によって生成されるイオン量の変化をトランジスタで電子信号に変換し生細胞の細胞膜タンパク質発現量を解析するシステムの開発に成功しました。
【研究成果の意義】
CTCの血中存在量は10mL中に数個程度と希少であり、また、共存する多量の血液細胞のため高精度なCTC検出技術が必要です。CTC検出プラットフォームとして既に実績のある製品が存在するものの、腫瘍転移の要因である上皮間葉転換（Epithelial–mesenchymal transition, EMT）をおこしている細胞を見逃してしまうことが課題とされています。本検出機構は標的膜タンパク質を適切に選定することでEMT検出にも適用可能であるため、上皮系及び間葉系の両方の性質を有するCTCの検出が可能であり、将来的にEMTを標的としたがん治療戦略や腫瘍転移メカニズム解析に新たな知見を与えることが期待されます。また、超並列解析によるデジタルセンシングデバイスへ適用することを目指しており、半導体技術のアプローチに基づいた超高感度リキッドバイオプシープラットフォームの実現が期待されます。
【用語解説】
※１細胞トランジスタ
細胞をトランジスタのゲート絶縁膜表面に捕捉し細胞機能を解析する電子デバイス。
※２リキッドバイオプシー
血液、唾液などの体液を検体とし、その中に含まれる細胞、核酸、タンパク質といったがんなどの疾病に関連した生体分子を解析する疾病検査。
※３血中循環腫瘍細胞（Circulating tumor cell, CTC）
固形がんから離れて血管内に浸潤し血液中を循環しているがん細胞。
Journal
Journal of the American Chemical Society
Article Title
Detection of Epidermal Growth Factor Receptor Expression in Breast Cancer Cell Lines Using an Ion-Sensitive Field-Effect Transistor in Combination with Enzymatic Chemical Signal Amplification