東北大学などで構成される研究グループは、細胞表面の構造と化学物質の濃度を、細胞を傷つけることなくナノスケールで可視化することに成功したことを発表した。同成果は、東北大学原子分子材料科学高等研究機構(AIMR)の末永智一教授、高橋康史助手の研究グループと、インペリアルカレッジロンドンのユリ・コルチェフ教授らの研究グループによるもので、「米国科学アカデミー紀要(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America:PNAS)」電子版に掲載された。

電気化学測定は、電極を用いて、溶液中の化学物質を酸化/還元することで、化学物質の濃度を知ることができる測定法だ。また、微小電極により試料表面を走査し、化学物質の濃度分布を捉える走査型電気化学顕微鏡(SECM)は、電極探針の微細化を行うことで、局所的な化学物質の濃度分布をイメージングすることが可能な技術で、金属の触媒能や腐食プロセスの評価や、細胞の呼吸量の評価に用いられてきており、無侵襲的に測定可能であるという特長から、初期胚の呼吸量評価など生殖医療に応用されてきた。しかし、従来のSECMは、細胞とほぼ同等の大きさ(20μm)を用いて、電極の高さ方向の制御を行わずに測定を行っていたために、解像度が低く、電極の微細化と、電極のポジショニング技術が求められていた。

図1 電極作成プロセスの模式図

今回の研究グループは、これまで課題とされてきた微小電極の作成と電極の細胞表面でのポジショニングに焦点を当てた研究を行った。従来、微小電極の作成には電極面積を厳密に規定するため、金属細線の周囲に絶縁層部分を形成し、電極先端部を研磨・加工していた。このプロセスは、絶縁物質の化学蒸着や、レーザービームを利用した加工技術が必要であったが、1μm以下の電極を作成することは困難であった。そこで、あらかじめ大きさを規定した、開口径が100nm以下のナノピペット内に、焼成カーボン層を形成する従来とは逆の発想を用いることで、研磨・加工プロセスを必要としない電極作製プロセスを開発し、最小6.5nmのナノ電極を作成した。

図2 (A)ナノ電極の電子顕微鏡イメージと(B)ナノ電極の評価。電子顕微鏡を用いても、詳細な構造を把握することが困難なほど小さいナノ電極が作成できていることがわかる。電極を試料表面に対してアプローチさせた際の応答は、理論とよく一致していることが確認された

電極のポジショニングには、従来、原子間力顕微鏡のシステムが利用されてきたが、細胞などの柔らかい材料では、探針が直接材料に接触するため、材料にストレスを与えてしまうことが問題となっていたが、今回の研究では、電極そのものにより得られる電流シグナルを利用することで、細胞に非接触で極微細構造と化学物質に関する情報を同時に得ることが可能な新しい電極探針走査アルゴリズムを開発。同手法を用いることで、これまで起伏が激しく測定が困難とされてきた神経細胞や内耳細胞の形状イメージングが可能となり、既知の電気化学イメージング手法と比べても最高クラスの解像度でイメージを取得することに成功した。また、表面に存在する膜タンパク質の電気化学イメージングや神経伝達物質の検出に成功したという。

図3 ナノ走査型電気化学顕微鏡(NanoSECM)

なお、研究グループでは今後、記憶のメカニズムの解明を目指し、シナプスでの神経伝達物質の検出や、がんの増殖と関連の深い細胞膜タンパク質に関して、リアルタイムで発現状態を可視化していく予定としている。

図4 (A)豚の精子、(B,C)PC12細胞、(D)A431細胞、(E)心筋細胞のサルコメア構造、(F)内耳細胞。ナノ電極を利用することで、微細で複雑な細胞表面の構造を非接触で測定することに成功した	図5 (A)電圧切り替えモードの模式図、(B)電圧切り替えモードを利用したA431細胞の、(左)形状、(右)膜タンパク質の電気化学イメージ。細胞の形状と、細胞表面の膜タンパク質の発現状態の同時に捉えることに成功した	図6 (A)海馬の形状(左)とブトン(右)の蛍光イメージ、(B)神経伝達物質の電気化学的検出。蛍光測定と組み合わせることで、神経伝達物質が細胞のどの部分に蓄えられているかを表面形状とともに観察することができたほか、実際に放出された神経伝達物質を電極により捉えることに成功した